Forvirrende seks-exoplanetsystem med rytmisk bevægelse udfordrer teorier om, hvordan planeter dannes

Ved at bruge en kombination af teleskoper, inklusive Very Large Telescope of the European Southern Observatory (ESO's VLT), astronomer har afsløret et system bestående af seks exoplaneter, fem af dem er låst i en sjælden rytme omkring deres centrale stjerne. Forskerne mener, at systemet kan give vigtige spor om, hvordan planeter, inklusive dem i solsystemet, danne og udvikle sig.

Første gang holdet observerede TOI-178, en stjerne omkring 200 lysår væk i stjernebilledet Billedhugger, de troede, de havde set to planeter, der gik rundt om den i samme bane. Imidlertid, et nærmere kig afslørede noget helt andet. "Gennem yderligere observationer indså vi, at der ikke var to planeter, der kredsede om stjernen i nogenlunde samme afstand fra den, men snarere flere planeter i en meget speciel konfiguration, siger Adrien Leleu fra Université de Genève og University of Bern, Schweiz, der ledede en ny undersøgelse af systemet offentliggjort i dag i Astronomi og astrofysik .

Den nye forskning har afsløret, at systemet kan prale af seks exoplaneter, og at alle undtagen den, der er tættest på stjernen, er låst fast i en rytmisk dans, mens de bevæger sig i deres baner. Med andre ord, de er i resonans. Det betyder, at der er mønstre, der gentager sig selv, når planeterne går rundt om stjernen, med nogle planeter, der flugter med nogle få kredsløb. En lignende resonans observeres i banerne for tre af Jupiters måner:Io, Europa og Ganymedes. Io, den nærmeste af de tre til Jupiter, fuldfører fire fulde kredsløb omkring Jupiter for hver bane, som Ganymedes, længst væk, gør, og to hele kredsløb for hver bane, Europa laver.

De fem ydre exoplaneter i TOI-178 systemet følger en meget mere kompleks resonanskæde, en af ​​de længste endnu opdaget i et system af planeter. Mens de tre Jupiter-måner er i en 4:2:1-resonans, de fem ydre planeter i TOI-178 systemet følger en 18:9:6:4:3 kæde:mens den anden planet fra stjernen (den første i resonanskæden) fuldfører 18 kredsløb, den tredje planet fra stjernen (anden i kæden) fuldfører 9 kredsløb, og så videre. Faktisk, forskerne fandt oprindeligt kun fem planeter i systemet, men ved at følge denne resonansrytme beregnede de, hvor i dens kredsløb en ekstra planet ville være, når de næste gang havde et vindue til at observere systemet.

Mere end blot en nysgerrighed i kredsløbet, denne dans af resonansplaneter giver spor om systemets fortid. "Banerne i dette system er meget velordnet, hvilket fortæller os, at dette system har udviklet sig ganske blidt siden dets fødsel, " forklarer medforfatter Yann Alibert fra universitetet i Bern. Hvis systemet var blevet væsentligt forstyrret tidligere i sit liv, for eksempel ved en kæmpe indvirkning, denne skrøbelige konfiguration af baner ville ikke have overlevet.

Forstyrrelse i det rytmiske system

Men selvom arrangementet af banerne er pænt og velordnet, tætheden af ​​planeterne "er meget mere uordnet, " siger Nathan Hara fra Université de Genève, Schweiz, som også var involveret i undersøgelsen. "Det ser ud til, at der er en planet så tæt som Jorden lige ved siden af ​​en meget luftig planet med halvdelen af ​​densiteten af ​​Neptun, efterfulgt af en planet med Neptuns tæthed. Det er ikke, hvad vi er vant til." I vores solsystem, for eksempel, planeterne er pænt arrangeret, med stenet, tættere planeter tættere på den centrale stjerne og den fluffy, gasplaneter med lav tæthed længere ude.

"Denne kontrast mellem den rytmiske harmoni af kredsløbsbevægelsen og de uordnede tætheder udfordrer bestemt vores forståelse af dannelsen og udviklingen af ​​planetsystemer, " siger Leleu.

At kombinere teknikker

For at undersøge systemets usædvanlige arkitektur, holdet brugte data fra European Space Agencys CHEOPS-satellit, sammen med det jordbaserede ESPRESSO-instrument på ESO's VLT og NGTS og SPECULOOS, begge placeret ved ESO's Paranal Observatory i Chile. Da exoplaneter er ekstremt vanskelige at få øje på direkte med teleskoper, astronomer må i stedet stole på andre teknikker for at opdage dem. De vigtigste metoder, der anvendes, er billeddannelse af transitter - observation af lyset, der udsendes af den centrale stjerne, som dæmpes, når en exoplanet passerer foran den, når den observeres fra Jorden – og radiale hastigheder – og observerer stjernens lysspektrum for små tegn på slingring, som sker, når exoplaneterne bevæger sig i deres kredsløb. Holdet brugte begge metoder til at observere systemet:CHEOPS, NGTS og SPECULOOS for transits og ESPRESSO for radiale hastigheder.

Ved at kombinere de to teknikker, astronomer var i stand til at indsamle nøgleoplysninger om systemet og dets planeter, som kredser om deres centrale stjerne meget tættere og meget hurtigere end Jorden kredser om Solen. Den hurtigste (den inderste planet) fuldfører et kredsløb på blot et par dage, mens den langsomste tager omkring ti gange længere tid. De seks planeter har størrelser fra omkring en til omkring tre gange Jordens størrelse, mens deres masser er 1,5 til 30 gange Jordens masse. Nogle af planeterne er stenede, men større end Jorden - disse planeter er kendt som Super-Jorde. Andre er gasplaneter, ligesom de ydre planeter i vores solsystem, men de er meget mindre - disse er kaldet Mini-Neptunes.

Selvom ingen af ​​de seks fundne exoplaneter ligger i stjernens beboelige zone, forskerne foreslår, at ved at fortsætte resonanskæden, de kan finde yderligere planeter, der kunne eksistere i eller meget tæt på denne zone. ESO's Extremely Large Telescope (ELT), som skal begynde at fungere i dette årti, vil være i stand til direkte at afbilde stenede exoplaneter i en stjernes beboelige zone og endda karakterisere deres atmosfærer, giver mulighed for at lære systemer som TOI-178 endnu mere detaljeret at kende.