Οι αστρονόμοι ανακαλύπτουν ένα σύστημα εξωπλανήτη με ρυθμό

Οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ένα μοναδικό σύστημα εξωπλανητών στο οποίο όλοι οι πλανήτες πλην ενός περιφέρονται γύρω από το μητρικό τους αστέρι σε έναν σπάνιο ρυθμό. Το εύρημα θα μπορούσε να μας αναγκάσει να αναθεωρήσουμε τις ιδέες μας για το πώς σχηματίζονται οι πλανήτες –συμπεριλαμβανομένων αυτών στο δικό μας ηλιακό σύστημα.

Η ομάδα -συμπεριλαμβανομένων αστρονόμων από το Πανεπιστήμιο της Βέρνης και το Πανεπιστήμιο της Γενεύης- χρησιμοποίησε έναν συνδυασμό τηλεσκοπίων και του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου (ESO) Very Large Telescope (VLT) για να παρατηρήσει το αστέρι TOI-178, 200 έτη φωτός μακριά από εμάς. στον αστερισμό Γλύπτης.

Με την πρώτη ματιά, οι αστρονόμοι πίστεψαν ότι το αστέρι ήταν σε τροχιά γύρω από δύο μόνο εξωπλανήτες, και οι δύο είχαν τις ίδιες τροχιές. Ωστόσο, η προσεκτικότερη εξέταση αποκάλυψε κάτι εκπληκτικό - έξι πλανήτες, πέντε από τους οποίους είναι κλειδωμένοι σε έναν ρυθμικό χορό μεταξύ τους.

«Μέσα από περαιτέρω παρατηρήσεις, συνειδητοποιήσαμε ότι δεν υπήρχαν δύο πλανήτες σε τροχιά γύρω από το αστέρι σε περίπου την ίδια απόσταση από αυτό, αλλά πολλοί πλανήτες σε μια πολύ ειδική διαμόρφωση», λέει ο επικεφαλής ερευνητής Adrien Leleu, Πανεπιστήμιο της Βέρνης.

Αυτός ο ρυθμός αποκαλύπτει ένα αστρικό σύστημα που παραμένει αδιατάρακτο από τα κοσμικά γεγονότα από τη γέννησή του. Όμως, ακόμη και μέσα σε αυτό το σύστημα υπάρχει ένα μέτρο χάους, με τις συνθέσεις των πλανητών που το αποτελούν να εμφανίζουν κάποιες δυσαρμονικές πυκνότητες που είναι εξίσου σπάνιες με τις αρμονικές τροχιές τους.

Το σύστημα αποτελείται από πλανήτες που κυμαίνονται από ένα έως τρεις φορές το μέγεθος της Γης, με μάζες που κυμαίνονται από 1,5 έως 30 φορές αυτές του πλανήτη μας. Μερικά είναι βραχώδη και μεγαλύτερα από τη Γη – τις λεγόμενες Υπερ-Γη. Άλλοι είναι αέριοι όπως τα εξωτερικά σώματα του ηλιακού συστήματος, αλλά πολύ μικρότεροι – μια κατηγορία εξωπλανητών που ονομάζονται Mini Neptunes.

«Αυτή η αντίθεση μεταξύ της ρυθμικής αρμονίας της τροχιακής κίνησης και των άτακτων πυκνοτήτων αμφισβητεί σίγουρα την κατανόησή μας για το σχηματισμό και την εξέλιξη των πλανητικών συστημάτων», προσθέτει ο Leleu.

Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύεται στο περιοδικό Αστρονομία &Αστροφυσική .

Εξωπλανήτες σε συντονισμό

Όλοι οι εξωπλανήτες γύρω από τον TOI-178, εκτός από αυτόν που βρίσκεται πιο κοντά στο ίδιο το αστέρι, παρουσιάζουν συντονισμό που μπορεί να παρατηρηθεί στα επαναλαμβανόμενα μοτίβα στις τροχιές τους. Αυτές οι επαναλαμβανόμενες τροχιές σημαίνουν ότι οι πλανήτες ευθυγραμμίζονται σε τακτά χρονικά διαστήματα καθώς κυκλώνουν το μητρικό τους αστέρι.

Ένας παρόμοιος –αν και λιγότερο περίπλοκος– συντονισμός μπορεί να βρεθεί στο δικό μας ηλιακό σύστημα, όχι με πλανήτες, αλλά με τρία από τα φεγγάρια του Δία. Η Ιώ ολοκληρώνει τέσσερις πλήρεις τροχιές για κάθε τροχιά του Γανυμήδη, ενώ ολοκληρώνει επίσης δύο πλήρεις τροχιές για κάθε τροχιά της Ευρώπης. Αυτό είναι αυτό που είναι γνωστό ως συντονισμός 4:2:1.

Ωστόσο, οι πέντε εξωτερικοί πλανήτες του TOI-178 διαθέτουν μια πολύ πιο σύνθετη αλυσίδα συντονισμού από αυτά τα φεγγάρια. Οι εξωπλανήτες υπάρχουν σε συντονισμό 18:9:6:4:3. Αυτό σημαίνει ότι ο πρώτος εξωπλανήτης στην αλυσίδα –ο δεύτερος πιο κοντά στο αστέρι συνολικά– ολοκληρώνει 18 τροχιές καθώς ο δεύτερος στην αλυσίδα συμπληρώνει εννέα, ο τρίτος συμπληρώνει έξι και ο τέταρτος συμπληρώνει 4 και ο πέμπτος (ο έκτος πλανήτης συνολικά) συμπληρώνει τρεις τροχιές.

Η ομάδα μπόρεσε να λάβει τον συντονισμό των τεσσάρων πλανητών που περιγράφηκαν παραπάνω και να τον χρησιμοποιήσει για να ανακαλύψει τον πέμπτο στην αλυσίδα, ο οποίος είναι ο έκτος και τελευταίος πλανήτης συνολικά.

Ωστόσο, η ομάδα πιστεύει ότι οι ρυθμικές τροχιές του εξωπλανήτη θα μπορούσαν να τους διδάξουν περισσότερο το σύστημα παρά την τρέχουσα κατάστασή του. Θα μπορούσε ακόμη και να τους προσφέρει ένα παράθυρο στο παρελθόν του. «Οι τροχιές σε αυτό το σύστημα είναι πολύ καλά διατεταγμένες, κάτι που μας λέει ότι αυτό το σύστημα έχει εξελιχθεί αρκετά ήπια από τη γέννησή του», εξηγεί ο συν-συγγραφέας Yann Alibert από το Πανεπιστήμιο της Βέρνης.

Στην πραγματικότητα, ο συντονισμός του συστήματος δείχνει ότι έχει παραμείνει σχετικά αδιατάρακτο από τη στιγμή που σχηματίστηκε. Εάν είχε διαταραχθεί σημαντικά νωρίτερα στη ζωή του –από μια γιγαντιαία πρόσκρουση ή τη βαρυτική επίδραση ενός άλλου συστήματος, για παράδειγμα– η εύθραυστη διαμόρφωση των τροχιών του θα είχε εξαλειφθεί.

Η δυσαρμονία και η διαταραχή μπαίνουν στην εικόνα

Δεν είναι όλα αρμονία στους εξωπλανήτες TOI-178, ωστόσο. Ενώ η διάταξη τους είναι τακτοποιημένη και τακτοποιημένη, οι πυκνότητες και οι συνθέσεις των μεμονωμένων εξωπλανητών είναι πολύ πιο άτακτες. Είναι μια διαταραχή που είναι πολύ διαφορετική από αυτή που παρατηρούμε στο ηλιακό μας σύστημα.

«Φαίνεται ότι υπάρχει ένας πλανήτης τόσο πυκνός όσο η Γη ακριβώς δίπλα σε έναν πολύ χνουδωτό πλανήτη με τη μισή πυκνότητα του Ποσειδώνα, ακολουθούμενος από έναν πλανήτη με την πυκνότητα του Ποσειδώνα. Δεν είναι αυτό που έχουμε συνηθίσει», λέει το μέλος της ομάδας Nathan Hara, από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης, περιγράφοντας ένα σύστημα που αποτελείται από Super Earths και Mini Neptunes.

Όπως συμβαίνει με τους περισσότερους εξωπλανήτες, οι πλανήτες του συστήματος TOI-178 ήταν δύσκολο να εντοπιστούν. Η ομάδα χρησιμοποίησε δεδομένα που συλλέχθηκαν από τον δορυφόρο CHEOPS της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, που εκτοξεύτηκε τον Δεκέμβριο του 2019, με όργανα στο VLT που βρίσκεται στην περιοχή της ερήμου Ατακάμα της Χιλής.

Εκτός από αυτά τα δεδομένα, η ομάδα χρησιμοποίησε δύο από τις πιο κοινές τεχνικές που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για να εντοπίσουν εξωπλανήτες. Η εξέταση του φωτός που εκπέμπεται από ένα μητρικό αστέρι και του τρόπου με τον οποίο βυθίζεται δείχνει πότε ένας πλανήτης διέρχεται από μπροστά του. Επίσης, οι τροχιές των εξωπλανητών γύρω από ένα μητρικό αστέρι μπορεί να το κάνουν να «ταλαντεύεται» – κάτι που μπορεί να φανεί στο προφίλ φωτός του.

Αυτός ο συνδυασμός μεθόδων επέτρεψε στην ομάδα να ανακαλύψει ότι οι εξωπλανήτες στο TOI-178 περιφέρονται γύρω από το μητρικό τους αστέρι πολύ πιο γρήγορα και σε πολύ πιο κοντινή απόσταση από ό,τι η Γη περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο.

Ο πιο εσωτερικός πλανήτης, αυτός που δεν είναι μέρος της αλυσίδας συντονισμού, είναι ο ταχύτερος και περιστρέφεται γύρω από το TOI-178 μέσα σε λίγες μέρες. Η πιο αργή έχει μια τροχιά που χρειάζεται δέκα φορές αυτή την περίοδο για να ολοκληρωθεί.

Κανένας από τους πλανήτες δεν φαίνεται να περιφέρεται σε αυτό που πιστεύεται ότι είναι η κατοικήσιμη ζώνη του TOI-178 - την περιοχή στην οποία το νερό μπορεί να υπάρχει ως υγρό. Όμως, η ομάδα πιστεύει ότι η μελέτη της αλυσίδας συντονισμού θα μπορούσε να αποκαλύψει πρόσθετους πλανήτες σε αυτό το σύστημα, μερικούς με τροχιές που τους φέρνουν σε αυτήν την περιοχή.—ονομάστηκε επίσης πολύχρωμα η «ζώνη Goldilocks» επειδή δεν είναι ούτε πολύ ζεστό ούτε πολύ κρύο.

Οι ερευνητές θα συνεχίσουν να ερευνούν αυτό το μοναδικό και εξαιρετικό σύστημα και θα προτείνουν ότι θα μπορούσε να αποτελέσει στόχο για έντονη παρατήρηση με το Εξαιρετικά Μεγάλο Τηλεσκόπιο (ELT) της ESO όταν αρχίσει να λειτουργεί αργότερα αυτή τη δεκαετία.

Το ELT θα πρέπει να μπορεί να επιτρέπει στους ερευνητές να απεικονίζουν απευθείας τους εξωπλανήτες στις ζώνες Goldilocks γύρω από αστέρια όπως το TOI-178 καθώς και να μελετούν λεπτομερώς την ατμόσφαιρά τους.

Αυτό θα μπορούσε να αποκαλύψει ότι το TOI-178 κρύβει ακόμη περισσότερα μυστικά από αυτά που αποκάλυψε αυτή η μελέτη.

Αρχική έρευνα

A. Leleu, Y. Alibert, N. C. Hara, et al, «Έξι διερχόμενοι πλανήτες και μια αλυσίδα συντονισμών Laplace στο TOI-178», Αστρονομία και Αστροφυσική , [2021], (doi:10.1051/0004-6361/202039767).