Astrofysikere finder ud af, at planetariske harmonier omkring TRAPPIST-1 redder den fra ødelæggelse

Da NASA annoncerede sin opdagelse af TRAPPIST-1-systemet tilbage i februar vakte det en del opsigt, og med god grund. Tre af dens syv planeter på størrelse med jorden lå i stjernens beboelige zone, hvilket betyder, at de kan rumme passende betingelser for livet.

Men en af ​​de store gåder fra den oprindelige forskning, der beskrev systemet, var, at det så ud til at være ustabilt.

"Hvis du simulerer systemet, planeterne begynder at styrte ind i hinanden om mindre end en million år, " siger Dan Tamayo, en postdoc ved U of T Scarborough's Center for Planetary Science.

"Det her kan virke som lang tid, men det er egentlig bare et astronomisk blink. Det ville være meget heldigt for os at opdage TRAPPIST-1 lige før den faldt fra hinanden, så der må være en grund til, at den forbliver stabil."

Tamayo og hans kolleger synes at have fundet en grund til hvorfor. I forskning offentliggjort i tidsskriftet Astrofysiske tidsskriftsbreve , de beskriver planeterne i TRAPPIST-1 systemet som værende i noget, der kaldes en "resonanskæde", der kraftigt kan stabilisere systemet.

I resonanskonfigurationer, planeters omløbsperioder danner forhold mellem hele tal. Det er et meget teknisk princip, men et godt eksempel er, hvordan Neptun kredser om Solen tre gange i den tid, det tager Pluto at kredse to gange. Dette er en god ting for Pluto, for ellers ville den ikke eksistere. Da de to planeters kredsløb skærer hinanden, hvis tingene var tilfældige ville de støde sammen, men på grund af resonans, planeternes placering i forhold til hinanden bliver ved med at gentages.

"Der er et rytmisk gentagelsesmønster, der sikrer, at systemet forbliver stabilt over en lang periode, " siger Matt Russo, en post-doc ved Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA), som har arbejdet på kreative måder at visualisere systemet på.

TRAPPIST-1 tager dette princip til et helt andet niveau, hvor alle syv planeter er i en kæde af resonanser. For at illustrere denne bemærkelsesværdige konfiguration, Tamayo, Russo og kollega Andrew Santaguida skabte en animation, hvor planeterne spiller en klavernone, hver gang de passerer foran deres værtsstjerne, og et trommeslag hver gang en planet overhaler sin nærmeste nabo.

Fordi planeternes perioder er simple forhold mellem hinanden, deres bevægelse skaber et stabilt gentaget mønster, der ligner, hvordan vi spiller musik. Simple frekvensforhold er også det, der får to toner til at lyde behageligt, når de spilles sammen.

At fremskynde planeternes orbitale frekvenser ind i det menneskelige høreområde producerer en slags astrofysisk symfoni, men en, der udspiller sig mere end 40 lysår væk.

"De fleste planetsystemer er som bands af amatørmusikere, der spiller deres roller ved forskellige hastigheder, " siger Russo. "TRAPPIST-1 er anderledes; det er en supergruppe med alle syv medlemmer, der synkroniserer deres dele på næsten perfekt tid."

Men selv synkroniserede baner overlever ikke nødvendigvis ret længe, bemærker Tamayo. Af tekniske årsager, kaosteori kræver også præcise orbitale justeringer for at sikre, at systemerne forbliver stabile. Dette kan forklare, hvorfor simuleringerne i det originale opdagelsespapir hurtigt resulterede i, at planeterne kolliderede med hinanden.

"Det er ikke det, at systemet er dømt, det er, at stabile konfigurationer er meget nøjagtige, " siger han. "Vi kan ikke måle alle orbitale parametre godt nok i øjeblikket, så de simulerede systemer blev ved med at resultere i kollisioner, fordi opsætningerne ikke var præcise."

For at overvinde dette så Tamayo og hans team ikke på systemet, som det er i dag, men hvordan den oprindeligt kan have dannet sig. Da systemet blev født ud af en gasskive, planeterne skulle have migreret i forhold til hinanden, giver systemet mulighed for naturligt at sætte sig ind i en stabil resonanskonfiguration.

"Det betyder, at tidligt hver planets kredsløb blev indstillet til at gøre den harmonisk med dens naboer, på samme måde som instrumenter bliver stemt af et band, før det begynder at spille, " siger Russo. "Det er derfor, animationen producerer så smuk musik."

Holdet testede simuleringerne ved hjælp af supercomputing-klyngen ved Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) og fandt ud af, at størstedelen, de genererede, forblev stabil, så længe de overhovedet kunne køre den. Dette var omkring 100 gange længere, end det tog for simuleringerne i det originale forskningspapir, der beskrev TRAPPIST-1, at gå amok.

"Det virker på en eller anden måde poetisk, at denne specielle konfiguration, der kan generere så bemærkelsesværdig musik, også kan være ansvarlig for, at systemet overlever til i dag, " siger Tamayo.