Zagadkowy układ sześciu rytmicznie poruszających się egzoplanet rzuca wyzwanie teoriom powstawania planet

Artystyczna wizja systemu planetarnego TOI-178. Artystyczne wyobrażenie pokazuje widok z planety w układzie TOI-178 krążącej najdalej od gwiazdy. Nowe badania Adriena Leleu i współpracowników, przy pomocy kilku teleskopów, w tym Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) należącego do ESO, ujawniły, że system posiada sześć egzoplanet i że wszystkie z nich oprócz najbliższej względem gwiazdy są zablokowane w rzadkim rytmie w swoich ruchach po orbitach.

Ale podczas gdy ruch orbitalny w systemie jest w harmonii, fizyczne własności planet są znacznie bardziej nieuporządkowane, ze znaczącymi odchyleniami w gęstości pomiędzy planetami. Ten kontrast stanowi wyzwane dla stronomów w zrozumieniu jak powstają i ewoluują planety.

Wizja artystyczna jest oprata na znanych parametrach fizycznych planet i gwiazdy oraz używa wielkiej bazy danych obiektów we Wszechświecie.

Źródło:
ESO/L. Calçada/spaceengine.orgWykorzystując różne teleskopy, w tym Bardzo Duży Teleskop (VLT) należący do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), astronomowie odkryli system złożony z sześciu egzoplanet, z których pięć jest zablokowanych w rzadkim rytmie wokół ich gwiazdy centralnej. Badacze przypuszczają, że układ ten może dostarczyć wskazówek dotyczących tego, w jaki sposób tworzą się i ewoluują planety, w tym planety w Układzie Słonecznym.

---

Gdy zespół badawczy obserwował TOI-178, gwiazdę odległą o około 200 lat świetlnych w kierunku konstelacji Rzeźbiarza, naukowcy myśleli, że dostrzegli dwie planety krążące po tej samej orbicie. Jednak dokładniejsze badania pokazały coś zupełnie innego. „Dzięki kolejnym obserwacjom zdaliśmy sobie sprawę, że nie ma tam dwóch planet krążących wokół gwiazdy w prawie takiej samej odległości od niej. Mamy raczej do czynienia z układem wieloplanetarnym o bardzo specjalnej konfiguracji” mówi Adrien Leleu z Université de Genève oraz University of Bern (Szwajcaria), który kierował nowymi badaniami opublikowanymi dzisiaj w Astronomy & Astrophysics.

Nowa badania pokazały, że system posiada sześć egzoplanet oraz że wszystkie oprócz najbliższej względem gwiazdy wykonują „rytmiczny taniec” w trakcie ruchu po swoich orbitach wokół gwiazdy. W terminologii astronomicznej nazywa się to rezonansem i oznacza, że istnieją powtarzające się wzorce, gdy planety krążą wokół gwiazdy, z takimi samymi ustawieniami planet co kilka orbit. Podobny rezonans jest obserwowany dla orbit trzech księżyców Jowisza: Io, Europy i Ganimedesa. Io, najbliższy z nich względem Jowisza, wykonuje cztery pełne orbity wokół planety, podczas gdy najdalszy Ganimedes robi jedną orbitę Ganimedesa, a Europa dwie pełne orbity.

Pięć zewnętrznych egzoplanet w systemie TOI-178 porusza się zgodnie ze zdecydowanie bardziej skomplikowanym łańcuchem rezonansów, jednym z najdłuższych odkrytych do tej pory w układach planetarnych. Podczas gdy trzy księżyce Jowisza są w rezonansie 4:2:1, to w przypadku pięciu zewnętrznych planet układu TOI-178 mamy do czynienia z łańcuchem 18:9:6:4:3. Podczas gdy druga planeta od gwiazdy (pierwsza w łańcuchu rezonansowym) wykonuje 18 orbit, trzecia planeta od gwiazdy (druga w łańcuchu rezonansowym) kończy 9 orbit, itd. Początkowo naukowcy znaleźli jedynie pięć planet w systemie, ale śledząc rytm rezonansów obliczyli, gdzie powinna być na orbicie dodatkowa planeta, gdy będą mieć następne okno do obserwacji systemu.

Ten rezonansowy taniec planet jest czymś więcej niż orbitalną ciekawostką. Dostarcza wskazówek o przeszłości systemu. „Orbity w tym układzie są bardzo dobrze uporządkowane, co mówi nam, że system od początku swoich narodzin ewoluował dość spokojnie” wyjaśnia współautor Yann Alibert z University of Bern. Gdyby system został znacząco zaburzony na wcześniejszym etapie swojego istnienia, na przykład poprzez wielkie uderzenie, ta krucha konfiguracja orbit nie przetrwałaby.

Zaburzenie w rytmicznym systemie
Jednak nawet gdy rozmieszczenie orbit jest schludne i uporządkowane, gęstości planet „są znacznie bardziej nieuporządkowane” mówi Nathan Hara z Université de Genève, Szwajcaria, który także był zaangażowany w badania. „Wygląda na to, że jest tam planeta tak gęsta, jak Ziemia, tuż obok bardzo puszystej planety o połowie gęstości Neptuna, a następna jest planeta o gęstości Neptuna. Nie przywykliśmy to takiej sytuacji.” Na przykład w naszym Układzie Słonecznym planety są ładnie uporządkowane pod względem gęstości, ze skalistymi, gęstszymi planetami bliżej gwiazdy centralnej, a „puszystymi” o małej gęstości znajdującymi się dalej.

„Ten kontrast pomiędzy rytmiczną harmonią ruchu orbitalnego, a nieuporządkowanymi gęstościami z pewnością stanowi wyzwanie dla naszego zrozumienia powstawania i ewolucji systemów planetarnych” mówi Leleu.

Łącząc techniki
Aby zbadać nietypową architekturę systemu, zespół wykorzystał dane z satelity CHEOPS należącego do Europejskiej Agencji Kosmicznej, razem z danymi z naziemnego instrumentu ESPRESSO na teleskopie VLT z ESO oraz z również należących do ESO instrumentów NGTS i SPECULOOS w Obserwatorium Paranal w Chile. Ponieważ egzoplanety są niesamowicie trudne do dostrzeżenia przez teleskop bezpośrednio, astronomowie musieli zamiast tego polegać na innych technikach, aby je wykryć. Podstawowymi używanymi metodami są: obrazowanie tranzytów — obserwowanie światła emitowanego przez gwiazdę centralną, gdy nieco słabnie w trakcie przechodzenia egzoplanety przed nią, z punktu widzenia obserwatora na Ziemi — oraz prędkości radialne — obserwowanie widma gwiazdy w poszukiwaniu małych oznak „chwiania się” jej w sytuacji, gdy egzoplanety poruszają się po swoich orbitach. Zespół badawczy użył obu tych metod do obserwacji system. CHEOPS, NGTS i SPECULOOS do tranzytów, a ESPRESSO do prędkości radialnych.


Artist’s animation of the TOI-178 orbits and resonances (sound on!)

Łącząc dwie techniki, astronomowie byli w stanie zebrać kluczowe informacje na temat układu i jego planet okrążających gwiazdę centralną znacznie bliżej i znacznie szybciej niż Ziemia krąży wokół Słońca. Najszybsza (najbardziej wewnętrzna planeta) pokonuje swoją orbitę w zaledwie kilka dni, podczas gdy najwolniejszej zabiera to około dziesięciu razy dłużej. Sześć planet ma rozmiary w przedziale od około jednej do trzech wielkości Ziemi, podczas gdy ich masy są od 1,5 do 30 razy większe niż masa Ziemi. Część planet jest skalista, ale większa niż Ziemia — tego typu obiekty zwane są superziemiami. Inne są planetami gazowymi, takimi jak zewnętrzne planety w Układzie Słonecznym, ale znacznie mniejszymi — tę kategorię nazywa się minineptunami.

Chociaż żadna z sześciu egzoplanet nie znajduje się w ekosferze gwiazdy, badacze sugerują, że śledząc łańcuch rezonansów mogą odnaleźć jeszcze kolejne planety, które mogą krążyć bardzo blisko tej strefy. Budowany przez ESO Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT), który ma zacząć działanie w tej dekadzie będzie w stanie bezpośrednio fotografować skaliste egzoplanety w ekosferach wokół gwiazd, a nawet charakteryzować ich atmosfery, dając szansę na jeszcze dokładniejsze poznanie systemów takich jak TOI-178.

Źródło: ESO