Komunikat prasowy

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

25 stycznia 2021

Wykorzystując 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.

Nowe 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.

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.

Więcej informacji

Wyniki badań zaprezentowano w artykule pt. “Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178”, który Wielka Brytaniaaże się w Astronomy & Astrophysics (doi: 10.1051/0004-6361/202039767).

Skład zespołu badawczego: A. Leleu (Observatoire Astronomique de l’Université de Genève, Szwajcaria [UNIGE], University of Bern, Szwajcaria [Bern]), Y. Alibert (Bern), N. C. Hara (UNIGE), M. J. Hooton (Bern), T. G. Wilson (Centre for Exoplanet Science, SUPA School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, Wielka Brytania [St Andrews]), P. Robutel (IMCCE, UMR8028 CNRS, Observatoire de Paris, Francja [IMCCE]), J.-B Delisle (UNIGE), J. Laskar (IMCCE), S. Hoyer (Aix Marseille Univ, CNRS, CNES, LAM, Francja [AMU]), C. Lovis (UNIGE), E. M. Bryant (Department of Physics, University of Warwick, Wielka Brytania [Warwick], Centre for Exoplanets and Habitability, University of Warwick [CEH]), E. Ducrot (Astrobiology Research Unit, Université de Liège, Belgium [Liège]), J. Cabrera (Institute of Planetary Research, German Aerospace Center (DLR), Berlin, Niemcy [Institute of Planetary Research, DLR]), J. Acton (School of Physics and Astronomy, University of Leicester, Wielka Brytania [Leicester]), V. Adibekyan (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto, Portugal [IA], Centro de Astrofísica da Universidade do Porto, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto [CAUP]), R. Allart (UNIGE), C, Allende Prieto (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife [IAC], Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife [ULL]), R. Alonso (IAC, ULL), D. Alves (Camino El Observatorio 1515, Las Condes, Santiago, Chile), D. R Anderson (Warwick, CEH), D. Angerhausen (ETH Zürich, Institute for Particle Physics and Astrophysics), G. Anglada Escudé (Institut de Ciències de l’Espai [ICE, CSIC], Bellaterra, Hiszpania, Institut d’Estudis Espacials de Catalunya [IEEC], Barcelona, Hiszpania), J. Asquier (ESTEC, ESA, Noordwijk, the Netherlands [ESTEC]), D. Barrado (Depto. de Astrofísica, Centro de Astrobiologia [CSIC-INTA], Madrid, Hiszpania), S.C.C Barros (IA, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto), W. Baumjohann (Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences, Austria), D. Bayliss (Warwick, CEH), M. Beck (UNIGE), T. Beck (Bern) A. Bekkelien (UNIGE), W. Benz (Bern, Center for Space and Habitability, Bern, Szwajcaria [CSH]), N. Billot (UNIGE), A. Bonfanti (IWF), X. Bonfils (Université Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francja), F. Bouchy (UNIGE), V. Bourrier (UNIGE), G. Boué (IMCCE), A. Brandeker (Department of Astronomy, Stockholm University, Szwecja), C. Broeg (Bern), M. Buder (Institute of Optical Sensor Systems, German Aerospace Center (DLR) [Institute of Optical Sensor Systems, DLR]), A. Burdanov (Liège, Department of Earth, Atmospheric and Planetary Science, Massachusetts Institute of Technology, USA), M. R. Burleigh (Leicester), T. Bárczy (Admatis, Miskok, Hungary), A. C. Cameron (St Andrews), S. Chamberlain (Leicester), S. Charnoz (Université de Paris, Institut de physique du globe de Paris, CNRS, Francja), B. F. Cooke (Warwick, CEH), C. Corral Van Damme (ESTEC), A. C. M. Correia (CFisUC, Department of Physics, University of Coimbra, Portugal, IMCCE, UMR8028 CNRS, Observatoire de Paris, Francja), S. Cristiani (INAF - Osservatorio Astronomico di Trieste, Włochy [INAF Trieste]), M. Damasso (INAF - Osservatorio Astrofisico di Torino, Włochy [INAF Torino]), M. B. Davies (Lund Observatory, Dept. of Astronomy and Theoretical Physics, Lund University, Szwecja), M. Deluil (AMU), L. Delrez (AMU, Space sciences, Technologies and Astrophysics Research [STAR] Institute, Université de Liège, Belgium, UNIGE), O. D. S. Demangeon (IA), B.-O. Demory (CSH), P. Di Marcantonio (INAF Trieste), G. Di. Persio (INAF, Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali, Roma, Włochy), X. Dumusque (UNIGE), D. Ehrenreich (UNIGE), A. Erikson (Institute of Planetary Research, DLR), P. Figueira (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto, ESO Vitacura), A. Fortier (Bern, CSH), L. Fossato (Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences, Graz, Austria [IWF]), M. Fridlund (Leiden Observatory, University of Leiden, The Netherlands, Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Szwecja [Chalmers]), D. Futyan (UNIGE), D. Gandolfi (Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Torino, Włochy), A. García Muñoz (Center for Astronomy and Astrophysics, Technical University Berlin, Niemcy), L. Garcia (Liège), S. Gill (Warwick, CEH), E. Gillen (Astronomy Unit, Queen Mary University of London, Wielka Brytania, Cavendish Laboratory, Cambridge, Wielka Brytania [Cavendish Laboratory]), M. Gillon (Liège), M. R. Goad (Leicester), J. I. González Hernández (IAC, ULL), M. Guedel (University of Vienna, Department of Astrophysics, Austria), M. N. Günther (Department of Physics and Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, USA), J. Haldemann (Bern), B. Henderson (Leicester), K. Heng (CSH), A. E. Hogan (Leicester), E. Jehin (STAR), J. S. Jenkins (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chile, Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA), Santiago, Chile), A. Jordán (Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Adolfo Ibáñez, Santiago, Chile, Millennium Institute for Astrophysics, Chile), L. Kiss (Konkoly Observatory, Research Centre for Astronomy and Earth Sciences, Budapest, Hungary), M. H. Kristiansen (Brorfelde Observatory, Observator Gyldenkernes, Denmark, DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, Denmark), K. Lam (Institute of Planetary Research, DLR), B. Lavie (UNIGE), A. Lecavelier des Etangs (Institut d’astrophysique de Paris, UMR7095 CNRS, Université Pierre & Marie Curie, Paris, Francja), M. Lendil (UNIGE), J. Lillo-Box (Depto. de Astrofísica, Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA),ESAC campus, Madrid, Hiszpania), G. Lo Curto (ESO Vitacura), D. Magrin (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Włochy [INAF Padova]), C. J. A. P. Martins (IA, CAUP), P. F. L. Maxted (Astrophysics Group, Keele University, Wielka Brytania), J. McCormac (Warwick), A. Mehner (ESO Vitacura), G. Micela (INAF - Osservatorio Astronomico di Palermo, Włochy), P. Molaro (INAF Trieste, IFPU Trieste), M. Moyano (Instituto de Astronomía, Universidad Católica del Norte, Antofagasta, Chile), C. A. Murray (Cavendish Laboratory), V. Nascimbeni (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Włochy), N. J. Nunes (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Portugal), G. Olofsson (Department of Astronomy, Stockholm University, Szwecja), H. P. Osborn (CSH, Department of Physics and Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, USA), M. Oshagh (IAC, ULL), R. Ottensamer (Department of Astrophysics, University of Vienna, Austria), I. Pagano (INAF, Osservatorio Astrofisico di Catania, Włochy), E. Pallé (IAC, ULL), P. P. Pedersen  (Cavendish Laboratory), F. A. Pepe (UNIGE), C.M. Persson (Chalmers), G. Peter (Institute of Optical Sensor Systems, German Aerospace Center (DLR), Berlin, Niemcy), G. Piotto (INAF Padova, Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei", Università degli Studi di Padova, Włochy), G. Polenta (Space Science Data Center, Roma, Włochy), D. Pollacco (Warwick), E. Poretti (Fundación G. Galilei – INAF (Telescopio Nazionale Galileo), La Palma, Hiszpania, INAF - Osservatorio Astronomico di Brera, Merate, Włochy), F. J. Pozuelos (Liège, STAR), F. Pozuelos (Liège, STAR), D. Queloz (UNIGE, Cavendish Laboratory), R. Ragazzoni (INAF Padova), N. Rando (ESTEC), F. Ratti (ESTEC), H. Rauer (Institute of Planetary Research, DLR), L. Raynard (Leicester), R. Rebolo (IAC, ULL), C. Reimers (Department of Astrophysics, University of Vienna, Austria), I. Ribas (Institut de Ciències de l’Espai (ICE, CSIC), Hiszpania, Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), Barcelona, Hiszpania), N. C. Santos (IA, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto), G. Scandariato (INAF, Osservatorio Astrofisico di Catania, Włochy), J. Schneider (Paris Observatory, Francja), D. Sebastian (School of Physics Astronomy, University of Birmingham, Wielka Brytania [Birmingham]), M. Sestovic (CSH), A. E. Simon (Bern), A. M. S. Smith (Institute of Planetary Research, DLR), S. G. Sousa (IA), A. Sozzetti (INAF Torino), M. Steller (IWF), A. Suárez Mascareño (IAC, ULL), G. M. Szabó (ELTE Eötvös Loránd University, Gothard Astrophysical Observatory, Hungary, MTA-ELTE Exoplanet Research Group, Hungary), D Ségransan (UNIGE), N. Thomas (Bern), S. Thompson (Cavendish Laboratory), R. H. Tilbrook (Leicester), A. Triaud (Birmingham), S. Udry (UNIGE), V. Van Grootel (STAR), H. Venus (Institute of Optical Sensor Systems, DLR), F. Verrecchia (Space Science Data Center, ASI, Roma, Włochy, INAF, Osservatorio Astronomico di Roma, Włochy), J. I. Vines (Camino El Observatorio 1515, Santiago, Chile), N. A. Walton (Institute of Astronomy, University of Cambridge, Wielka Brytania), R. G. West (Warwick, CEH), P. K. Wheatley (Warwick, CEH), D. Wolter (Institute of Planetary Research, DLR), M. R. Zapatero Osorio (Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), Madrid, Hiszpania).

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Ma 16 krajów członkowskich: Austria, Belgia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Irlandia, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy, dodatkowo Chile jest kraje gospodarzem, a Australia (IA/FCUL) strategicznym partnerem. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop ELT (Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop), który stanie się „największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa
• Zdjęcia VLT
• Dla naukowców: masz ciekawy temat? Opisz swoje badania

Kontakt

Adrien Leleu
Université de Genève
Geneva, Switzerland
E-mail: Adrien.Leleu@unige.ch

Yann Alibert
University of Bern
Bern, Switzerland
Tel.: +41 31 631 55 47
E-mail: yann.alibert@space.unibe.ch

Nathan Hara
Université de Genève
Geneva, Switzerland
Tel.: +41 22 379 24 14
E-mail: nathan.hara@unige.ch

Bárbara Ferreira
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6670
Tel. kom.: +49 151 241 664 00
E-mail: press@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych