Last year, three Earth-sized planets were discovered to be orbiting the nearby Jupiter-sized star TRAPPIST-1; now, follow-up photometric observations from the ground and from space show that there are at least seven Earth-sized planets in this star system, and that they might be the right temperature to harbour liquid water on their surfaces. Michaël Gillon et al. report the results of a photometric monitoring campaign of the star TRAPPIST-1 from the ground and space. They reveal that at least seven planets with sizes and masses similar to Earth revolve around this Jupiter-sized star. These planets all have equilibrium temperatures low enough to make it possible for liquid water to exist on their surfaces. One aim of modern astronomy is to detect temperate, Earth-like exoplanets that are well suited for atmospheric characterization. Recently, three Earth-sized planets were detected that transit (that is, pass in front of) a star with a mass just eight per cent that of the Sun, located 12 parsecs away1. The transiting configuration of these planets, combined with the Jupiter-like size of their host star—named TRAPPIST-1—makes possible in-depth studies of their atmospheric properties with present-day and future astronomical facilities1,2,3. Here we report the results of a photometric monitoring campaign of that star from the ground and space. Our observations reveal that at least seven planets with sizes and masses similar to those of Earth revolve around TRAPPIST-1. The six inner planets form a near-resonant chain, such that their orbital periods (1.51, 2.42, 4.04, 6.06, 9.1 and 12.35 days) are near-ratios of small integers. This architecture suggests that the planets formed farther from the star and migrated inwards4,5. Moreover, the seven planets have equilibrium temperatures low enough to make possible the presence of liquid water on their surfaces6,7,8.

Past studies addressing the thermal atmospheric escape of hydrogen from "hot Jupiters" have been based on the planet's effective temperature, which, as we show here, is not physically relevant for loss processes. In consequence, these studies led to significant underestimations of the atmospheric escape rate (≤103 g s-1) and to the conclusion of long-term atmospheric stability. From more realistic exospheric temperatures, determined from X-ray and extreme-ultraviolet (XUV) irradiation and thermal conduction in the thermosphere, we find that energy-limited escape and atmospheric expansion arise, leading to much higher estimations for the loss rates (≈1012 g s-1). These fluxes are in good agreement with recent determinations for HD 209458b based on observations of its extended exosphere. We also show that for young solar-type stars, which emit stronger XUV fluxes, the inferred loss rates are significantly higher. Thus, hydrogen-rich giant exoplanets under such strong XUV irradiances may evaporate down to their core sizes or shrink to levels at which heavier atmospheric constituents may prevent hydrodynamic escape. These results could explain the apparent paucity of exoplanets so far detected at orbital distances less than 0.04 AU.

Water is predicted to be among the most abundant (if not the most abundant) molecular species after hydrogen in the atmospheres of close-in extrasolar giant planets ('hot Jupiters'). Several attempts have been made to detect water on such planets, but have either failed to find compelling evidence for it or led to claims that should be taken with caution. Here we report an analysis of recent observations of the hot Jupiter HD 189733b (ref. 6) taken during the transit, when the planet passed in front of its parent star. We find that absorption by water vapour is the most likely cause of the wavelength-dependent variations in the effective radius of the planet at the infrared wavelengths 3.6 mum, 5.8 mum (both ref. 7) and 8 mum (ref. 8). The larger effective radius observed at visible wavelengths may arise from either stellar variability or the presence of clouds/hazes. We explain the report of a non-detection of water on HD 189733b (ref. 4) as being a consequence of the nearly isothermal vertical profile of the planet's atmosphere.

We present a novel chemical database for gas-phase astrochemistry. Named the KInetic Database for Astrochemistry (KIDA), this database consists of gas-phase reactions with rate coefficients and uncertainties that will be vetted to the greatest extent possible. Submissions of measured and calculated rate coefficients are welcome, and will be studied by experts before inclusion into the database. Besides providing kinetic information for the interstellar medium, KIDA is planned to contain such data for planetary atmospheres and for circumstellar envelopes. Each year, a subset of the reactions in the database (kida.uva) will be provided as a network for the simulation of the chemistry of dense interstellar clouds with temperatures between 10 K and 300 K. We also provide a code, named Nahoon, to study the time-dependent gas-phase chemistry of 0D and 1D interstellar sources.

Thousands of exoplanets have now been discovered with a huge range of masses, sizes and orbits: from rocky Earth-like planets to large gas giants grazing the surface of their host star. However, the essential nature of these exoplanets remains largely mysterious: there is no known, discernible pattern linking the presence, size, or orbital parameters of a planet to the nature of its parent star. We have little idea whether the chemistry of a planet is linked to its formation environment, or whether the type of host star drives the physics and chemistry of the planet's birth, and evolution. ARIEL was conceived to observe a large number (~1000) of transiting planets for statistical understanding, including gas giants, Neptunes, super-Earths and Earth-size planets around a range of host star types using transit spectroscopy in the 1.25–7.8 μm spectral range and multiple narrow-band photometry in the optical. ARIEL will focus on warm and hot planets to take advantage of their well-mixed atmospheres which should show minimal condensation and sequestration of high-Z materials compared to their colder Solar System siblings. Said warm and hot atmospheres are expected to be more representative of the planetary bulk composition. Observations of these warm/hot exoplanets, and in particular of their elemental composition (especially C, O, N, S, Si), will allow the understanding of the early stages of planetary and atmospheric formation during the nebular phase and the following few million years. ARIEL will thus provide a representative picture of the chemical nature of the exoplanets and relate this directly to the type and chemical environment of the host star. ARIEL is designed as a dedicated survey mission for combined-light spectroscopy, capable of observing a large and well-defined planet sample within its 4-year mission lifetime. Transit, eclipse and phase-curve spectroscopy methods, whereby the signal from the star and planet are differentiated using knowledge of the planetary ephemerides, allow us to measure atmospheric signals from the planet at levels of 10–100 part per million (ppm) relative to the star and, given the bright nature of targets, also allows more sophisticated techniques, such as eclipse mapping, to give a deeper insight into the nature of the atmosphere. These types of observations require a stable payload and satellite platform with broad, instantaneous wavelength coverage to detect many molecular species, probe the thermal structure, identify clouds and monitor the stellar activity. The wavelength range proposed covers all the expected major atmospheric gases from e.g. H2O, CO2, CH4 NH3, HCN, H2S through to the more exotic metallic compounds, such as TiO, VO, and condensed species. Simulations of ARIEL performance in conducting exoplanet surveys have been performed – using conservative estimates of mission performance and a full model of all significant noise sources in the measurement – using a list of potential ARIEL targets that incorporates the latest available exoplanet statistics. The conclusion at the end of the Phase A study, is that ARIEL – in line with the stated mission objectives – will be able to observe about 1000 exoplanets depending on the details of the adopted survey strategy, thus confirming the feasibility of the main science objectives.

The quest for Earth-like planets represents a major focus of current exoplanet research. While planets that are Earth-sized and smaller have been detected, these planets reside in orbits that are too close to their host star to allow liquid water on their surface. We present the detection of Kepler-186f, a 1.11+\-0.14 Earth radius planet that is the outermost of five planets - all roughly Earth-sized - that transit a 0.47+\-0.05 Rsun star. The intensity and spectrum of the star's radiation places Kepler-186f in the stellar habitable zone, implying that if Kepler-186f has an Earth-like atmosphere and H2O at its surface, then some of this H2O is likely to be in liquid form.

The inner edge of the classical habitable zone is often defined by the critical flux needed to trigger the runaway greenhouse instability. This 1D notion of a critical flux, however, may not be so relevant for inhomogeneously irradiated planets, or when the water content is limited (land planets). Here, based on results from our 3D global climate model, we find that the circulation pattern can shift from super-rotation to stellar/anti stellar circulation when the equatorial Rossby deformation radius significantly exceeds the planetary radius. Using analytical and numerical arguments, we also demonstrate the presence of systematic biases between mean surface temperatures or temperature profiles predicted from either 1D or 3D simulations. Including a complete modeling of the water cycle, we further demonstrate that for land planets closer than the inner edge of the classical habitable zone, two stable climate regimes can exist. One is the classical runaway state, and the other is a collapsed state where water is captured in permanent cold traps. We identify this "moist" bistability as the result of a competition between the greenhouse effect of water vapor and its condensation. We also present synthetic spectra showing the observable signature of these two states. Taking the example of two prototype planets in this regime, namely Gl581c and HD85512b, we argue that they could accumulate a significant amount of water ice at their surface. If such a thick ice cap is present, gravity driven ice flows and geothermal flux should come into play to produce long-lived liquid water at the edge and/or bottom of the ice cap. Consequently, the habitability of planets at smaller orbital distance than the inner edge of the classical habitable zone cannot be ruled out. Transiting planets in this regime represent promising targets for upcoming observatories like EChO and JWST.

Abstract We have collected transit times for the TRAPPIST-1 system with the Spitzer Space Telescope over four years. We add to these ground-based, HST, and K2 transit-time measurements, and revisit an N -body dynamical analysis of the seven-planet system using our complete set of times from which we refine the mass ratios of the planets to the star. We next carry out a photodynamical analysis of the Spitzer light curves to derive the density of the host star and the planet densities. We find that all seven planets’ densities may be described with a single rocky mass–radius relation which is depleted in iron relative to Earth, with Fe 21 wt% versus 32 wt% for Earth, and otherwise Earth-like in composition. Alternatively, the planets may have an Earth-like composition but enhanced in light elements, such as a surface water layer or a core-free structure with oxidized iron in the mantle. We measure planet masses to a precision of 3%–5%, equivalent to a radial-velocity (RV) precision of 2.5 cm s −1 , or two orders of magnitude more precise than current RV capabilities. We find the eccentricities of the planets are very small, the orbits are extremely coplanar, and the system is stable on 10 Myr timescales. We find evidence of infrequent timing outliers, which we cannot explain with an eighth planet; we instead account for the outliers using a robust likelihood function. We forecast JWST timing observations and speculate on possible implications of the planet densities for the formation, migration, and evolution of the planet system.

Ultracool dwarfs (UCD; Teff < ∼3000 K) cool to settle on the main sequence after ∼1 Gyr. For brown dwarfs, this cooling never stops. Their habitable zones (HZ) thus sweeps inward at least during the first Gyr of their lives. Assuming they possess water, planets found in the HZ of UCDs have experienced a runaway greenhouse phase too hot for liquid water prior to enter the HZ. It has been proposed that such planets are desiccated by this hot early phase and enter the HZ as dry worlds. Here, we model the water loss during this pre-HZ hot phase taking into account recent upper limits on the XUV emission of UCDs and using 1D radiation-hydrodynamic simulations. We address the whole range of UCDs but also focus on the planets recently found around the 0.08 M⊙ dwarf TRAPPIST-1. Despite assumptions maximizing the FUV photolysis of water and the XUV-driven escape of hydrogen, we find that planets can retain significant amount of water in the HZ of UCDs, with a sweet spot in the 0.04–0.06 M⊙ range. We also studied the TRAPPIST-1 system using observed constraints on the XUV flux. We find that TRAPPIST-1b and c may have lost as much as 15 Earth oceans and planet d – which might be inside the HZ – may have lost less than 1 Earth ocean. Depending on their initial water contents, they could have enough water to remain habitable. TRAPPIST-1 planets are key targets for atmospheric characterization and could provide strong constraints on the water erosion around UCDs.