Den här konstnärens intryck visar utsikten från planeten i TOI-178-systemet som kretsar längst bort från stjärnan. Ny forskning av Adrien Leleu och hans kollegor med flera teleskop, inklusive ESO:s Very Large Telescope, har avslöjat att systemet har sex exoplaneter och att alla utom den som är närmast stjärnan är låsta i en sällsynt rytm när de rör sig i sina banor. Men medan omloppsrörelsen i detta system är i harmoni, planeternas fysiska egenskaper är mer oordnade, med betydande variationer i densitet från planet till planet. Denna kontrast utmanar astronomers förståelse av hur planeter bildas och utvecklas. Denna konstnärs intryck är baserat på de kända fysiska parametrarna för planeterna och stjärnan som ses, och använder en stor databas med objekt i universum. Kredit:ESO/L. Calçada/spaceengine.org
Med hjälp av en kombination av teleskop, inklusive Very Large Telescope of the European Southern Observatory (ESO:s VLT), astronomer har avslöjat ett system som består av sex exoplaneter, varav fem är låsta i en sällsynt rytm runt sin centrala stjärna. Forskarna tror att systemet kan ge viktiga ledtrådar om hur planeter, inklusive de i solsystemet, forma och utvecklas.
Första gången laget observerade TOI-178, en stjärna cirka 200 ljusår bort i stjärnbilden Sculptor, de trodde att de hade sett två planeter som gick runt den i samma bana. Dock, en närmare titt visade något helt annat. "Genom ytterligare observationer insåg vi att det inte fanns två planeter som kretsade runt stjärnan på ungefär samma avstånd från den, utan snarare flera planeter i en mycket speciell konfiguration, säger Adrien Leleu från Université de Genève och University of Bern, Schweiz, som ledde en ny studie av systemet som publicerades idag i Astronomi &Astrofysik .
Den nya forskningen har avslöjat att systemet har sex exoplaneter och att alla utom den som är närmast stjärnan är låsta i en rytmisk dans när de rör sig i sina banor. Med andra ord, de är i resonans. Det betyder att det finns mönster som upprepar sig när planeterna går runt stjärnan, med några planeter i linje med några omlopp. En liknande resonans observeras i banorna för tre av Jupiters månar:Io, Europa och Ganymedes. Io, den närmaste av de tre till Jupiter, slutför fyra hela omlopp runt Jupiter för varje omlopp som Ganymedes, längst bort, gör, och två hela banor för varje omlopp som Europa gör.
De fem yttre exoplaneterna i TOI-178-systemet följer en mycket mer komplex resonanskedja, en av de längsta som hittills upptäckts i ett system av planeter. Medan de tre Jupitermånarna är i en 4:2:1 resonans, de fem yttre planeterna i TOI-178-systemet följer en 18:9:6:4:3-kedja:medan den andra planeten från stjärnan (den första i resonanskedjan) fullföljer 18 omlopp, den tredje planeten från stjärnan (andra i kedjan) genomför 9 omlopp, och så vidare. Faktiskt, forskarna hittade till en början bara fem planeter i systemet, men genom att följa denna resonansrytm beräknade de var i dess omloppsbana en ytterligare planet skulle vara när de nästa hade ett fönster för att observera systemet.
Mer än bara en orbital nyfikenhet, denna dans av resonanta planeter ger ledtrådar om systemets förflutna. "Banerna i det här systemet är mycket välordnade, vilket säger oss att detta system har utvecklats ganska försiktigt sedan dess födelse, " förklarar medförfattaren Yann Alibert från universitetet i Bern. Om systemet hade störts avsevärt tidigare i sitt liv, till exempel genom en enorm påverkan, denna ömtåliga konfiguration av banor skulle inte ha överlevt.
Den här grafiken visar en representation av planetsystemet TOI-178, som avslöjades av ESA:s exoplanetbevakare CHEOPS. Systemet består av sex exoplaneter, varav fem är låsta i en sällsynt rytmisk dans när de kretsar kring sin centrala stjärna. De två inre planeterna har jorddensiteter (som jorden) och de fyra yttre planeterna är gasformiga (med tätheter som Neptunus och Jupiter). De fem yttre planeterna följer en rytmisk dans när de rör sig i sina banor. Detta fenomen kallas orbital resonans, och det betyder att det finns mönster som upprepar sig när planeterna går runt stjärnan, med några planeter i linje med några omlopp. Medan planeterna i TOI-178-systemet kretsar runt sin stjärna på ett mycket ordnat sätt, deras densiteter följer inte något speciellt mönster. En av exoplaneterna, en tät, jordisk planet som jorden är precis bredvid en liknande storlek men mycket fluffig planet – som en mini-Jupiter, och bredvid det är en mycket lik Neptunus. Astronomer förväntade sig inte att hitta denna layout i ett planetsystem, och denna upptäckt utmanar nuvarande teorier om planetbildning. I denna grafik, de relativa storlekarna på planeterna är i skala, men inte avstånden och stjärnans storlek. Kredit:ESA
Störning i det rytmiska systemet
Men även om arrangemanget av banorna är snyggt och välordnat, planeternas täthet "är mycket mer oordnad, säger Nathan Hara från Université de Genève, Schweiz, som också var involverad i studien. "Det verkar som om det finns en planet lika tät som jorden bredvid en mycket fluffig planet med halva densiteten av Neptunus, följt av en planet med Neptunus densitet. Det är inte vad vi är vana vid." I vårt solsystem, till exempel, planeterna är snyggt ordnade, med det steniga, tätare planeter närmare den centrala stjärnan och den fluffiga, gasplaneter med låg densitet längre ut.
"Denna kontrast mellan den rytmiska harmonin i omloppsrörelsen och de oordnade tätheterna utmanar verkligen vår förståelse av bildningen och utvecklingen av planetsystem, säger Leleu.
Att kombinera tekniker
För att undersöka systemets ovanliga arkitektur, laget använde data från Europeiska rymdorganisationens CHEOPS-satellit, tillsammans med det markbaserade ESPRESSO-instrumentet på ESO:s VLT och NGTS och SPECULOOS, båda placerade vid ESO:s Paranal-observatorium i Chile. Eftersom exoplaneter är extremt svåra att upptäcka direkt med teleskop, astronomer måste istället förlita sig på andra tekniker för att upptäcka dem. De huvudsakliga metoderna som används är avbildning av transiter—att observera ljuset som sänds ut av den centrala stjärnan, som dämpas när en exoplanet passerar framför den när den observeras från jorden – och radiella hastigheter – och observerar stjärnans ljusspektrum för små tecken på vinglar som inträffar när exoplaneterna rör sig i sina banor. Teamet använde båda metoderna för att observera systemet:CHEOPS, NGTS och SPECULOOS för transiter och ESPRESSO för radiella hastigheter.
Genom att kombinera de två teknikerna, astronomer kunde samla nyckelinformation om systemet och dess planeter, som kretsar mycket närmare sin centrala stjärna och mycket snabbare än jorden kretsar runt solen. Den snabbaste (den innersta planeten) fullbordar en bana på bara ett par dagar, medan den långsammaste tar ungefär tio gånger längre tid. De sex planeterna har storlekar från ungefär en till ungefär tre gånger jordens storlek, medan deras massor är 1,5 till 30 gånger jordens massa. Vissa av planeterna är steniga, men större än jorden – dessa planeter är kända som superjordar. Andra är gasplaneter, som de yttre planeterna i vårt solsystem, men de är mycket mindre—dessa har smeknamnet Mini-Neptunes.
Även om ingen av de sex exoplaneter som hittades ligger i stjärnans beboeliga zon, forskarna föreslår att genom att fortsätta resonanskedjan, de kan hitta ytterligare planeter som kan existera i eller mycket nära denna zon. ESO:s Extremely Large Telescope (ELT), som kommer att börja fungera detta decennium, kommer att kunna direkt avbilda steniga exoplaneter i en stjärnas beboeliga zon och till och med karakterisera deras atmosfärer, ger en möjlighet att lära känna system som TOI-178 i ännu större detalj.
