Un sistema de exoplanetas con 6 mundos se encuentra en resonancia orbital

A una distancia de 200 años luz de la Tierra, hay una estrella de secuencia principal de tipo K llamada TOI (Interesting TESS Object) 178. Observada por Adrian Leleu, astrofísico del Centro para el Espacio y el Hábito de la Universidad de Berna, parece que tienen dos planetas orbitando alrededor a la misma distancia Aproximadamente. Pero esto resultó ser falso. De hecho, seis exoplanetas giran alrededor de la joven estrella.

Y cinco de esos seis están atrapados en una formación orbital inesperada.

Cinco de los planetas participan en una rara danza rítmica alrededor de la estrella. Astrológicamente, están en un estado extraordinario. Resonancia orbital, Lo que significa que sus órbitas alrededor de su estrella muestran patrones repetidos. Esta propiedad lo convierte en un tema interesante de estudio y puede decirnos mucho sobre cómo se forman y evolucionan los planetas.

“A partir de observaciones posteriores, nos dimos cuenta de que no había dos planetas orbitando la estrella aproximadamente a la misma distancia de ella, sino que hay varios planetas en una configuración muy especial”.

Adrian Leleu, Centro de Espacio y Hábitat, Universidad de Berna.

Adrian Leleu dirige un equipo de investigadores que ha estudiado este fenómeno inusual. Presentaron sus hallazgos en un documento titulado “Seis planetas en tránsito y una serie de Laplace Echo en TOI-178. El artículo ha sido publicado en Journal of Astronomy and Astrophysics.

En las observaciones iniciales del equipo, surgió que solo había dos planetas, con cinco de ellos moviéndose de una manera que engaña al ojo. Pero otras observaciones mostraron que algo más estaba sucediendo en el sistema. El autor principal, Leleu, dijo: “A partir de observaciones posteriores, nos dimos cuenta de que no había dos planetas orbitando la estrella aproximadamente a la misma distancia de ella, sino que hay varios planetas en una configuración muy especial”.

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En la animación de este artista, el movimiento rítmico de los planetas alrededor de la estrella central está representado por una armonía musical, creada por las proporciones de una observación (en escala pentagonal) a cada uno de los planetas en la serie resonante. Esta nota musical se toca cuando el planeta completa una órbita completa o media; Cuando los planetas se alinean en estos puntos de sus órbitas, resuenan. Crédito: ESO

La resonancia orbital de TOI-178 se asemeja a otra resonancia orbital familiar aquí en nuestro sistema solar. Esto incluye las lunas de Júpiter, Ío, Europa y Ganímedes.

La resonancia orbital común a Ganímedes, Europa e Io es bastante simple. Io hace cuatro órbitas completas por cada órbita de Ganímedes y dos órbitas europeas completas. Pero la relación planetaria alrededor de TOI-178 es más complicada.

Los cinco exoplanetas de TOI-178 están en la serie de eco 18: 9: 6: 4: 3. El primero de la serie y el segundo de la estrella completa 18 revoluciones, el segundo de la serie y el tercero de la estrella completando 9 órbitas, y continuando desde allí. El planeta más cercano a la estrella no forma parte de la cadena.

Para que un sistema orbite su estrella de manera ordenada y predecible, las condiciones deben ser relativamente tranquilas en ese sistema. Los impactos gigantes o las migraciones planetarias lo habrían interrumpido. “Las órbitas de este sistema están muy bien organizadas, lo que nos dice que este sistema ha evolucionado muy bien desde su nacimiento”, explicó el coautor Jan Allbert de la Universidad de Berna.

Pero hay más.

En nuestro sistema solar, los pequeños planetas interiores son todos rocosos, mientras que los planetas del sistema solar exterior son grandes y gaseosos. Más allá de Neptuno hay una región de planetas enanos de hielo y objetos del cinturón de Kuiper. Crédito de la imagen: NASA / JPL / IAU

En nuestro sistema solar, los planetas interiores son rocosos y los planetas fuera del cinturón de asteroides no lo son. Es invasivo. Este es uno de esos casos en los que podríamos tener la tentación de pensar que nuestro sistema solar es una especie de norma. Pero el sistema TOI-178 es muy diferente. Los planetas gaseosos y rocosos no están identificados como en nuestro sistema.

“Parece haber un planeta tan denso como la Tierra junto a un planeta muy delgado con la mitad de la densidad de Neptuno, seguido de un planeta tan denso como Neptuno. Esto no es a lo que estamos acostumbrados”, dijo Nathan Hara de la Universidad de Ginebra, Suiza, uno de los investigadores involucrados en el estudio.

“Este contraste entre la armonía rítmica del movimiento orbital y las densidades irregulares definitivamente desafía nuestra comprensión de la formación y evolución de los sistemas planetarios”, dice Leleu.

El equipo utilizó algunas de las herramientas más avanzadas y pioneras del Observatorio Europeo en este trabajo. los Café exprés Herramienta en VLT y NGTS Y el Espéculo Herramientas del Observatorio Paranal de ESO. También utilizaron la Agencia Espacial Europea. Papas fritas Satélite extrasolar. Todos estos instrumentos, de una forma u otra, se especializan en el estudio de exoplanetas, que son casi imposibles de detectar con un telescopio “normal”.

Los exoplanetas están muy lejos de la Tierra y la abrumadora luz de sus estrellas los hace casi invisibles en un telescopio óptico ordinario.

Las herramientas utilizadas en este estudio descubren y caracterizan exoplanetas de dos formas diferentes. Pero se trata de detectar la luz. El método de tránsito utilizado por NGTS (Next Generation Transit Survey), CHEOPS (Caracterización satelital de exoplanetas) y SPECULOOS (Búsqueda de planetas habitables fuera de estrellas ULtra-cOOl) detecta la declinación de la luz estelar cuando un exoplaneta pasa frente a su estrella. El método de velocidad radial utilizado por ESPRESSO detecta cambios en el espectro natural de la luz de una estrella cuando un exoplaneta tira de la estrella y cambia muy poco su posición.

Usando múltiples herramientas con diferentes métodos y capacidades, el equipo pudo describir el sistema en detalle. El planeta más profundo del sistema, que es incompatible con otros planetas, se mueve más rápido. Completa su órbita en solo dos días desde la Tierra. El planeta más lento se mueve diez veces más lento que eso. Los planetas varían en tamaño de uno a tres tamaños de la Tierra, y sus masas varían de 1,5 a 30 veces la masa de la Tierra.

Las resonancias orbitales de los planetas están en perfecto equilibrio. Los autores escriben que “la formación orbital de TOI-178 es demasiado frágil para soportar choques gigantes, o incluso encuentros cercanos importantes … un cambio repentino en el período de un planeta con menos de 0,01 d planetas podría conducir al caos”. datos “… demuestran que la modificación de un solo eje de período puede romper la estructura resonante de toda la serie”.

Este descubrimiento significa más trabajo para los astrónomos. La resonancia orbital inusual y la posición de los planetas significa que necesitan repensar algunas de nuestras teorías sobre la formación y evolución de planetas y sistemas solares.

Esta figura del estudio compara la densidad, masa y temperatura de equilibrio de los planetas TOI-178 con otros sistemas de exoplanetas.  En Kepler-60, Kepler-80 y Kepler-223, la densidad planetaria disminuye a medida que disminuye la temperatura de equilibrio.  A diferencia de los tres sistemas Kepler, en el sistema TOI-178, la densidad planetaria no es una función creciente de la temperatura de equilibrio.  El equipo detrás del estudio dice que si pueden entender por qué el sistema TOI-178 es tan diferente, podría convertirse en una especie de Rosetta Stone para descifrar el sistema solar y desarrollar planetas.  Crédito de la imagen: Leleu et al, 2021.
Esta figura del estudio compara la densidad, masa y temperatura de equilibrio de los planetas TOI-178 con otros sistemas de exoplanetas. En el Kepler-60,
Los planetas Kepler 80 y Kepler 223 son menos densos
Cuando desciende la temperatura de equilibrio. A diferencia de los tres sistemas Kepler, en el sistema TOI-178, la densidad de los planetas no aumenta.
Función de equilibrio de temperatura. El equipo detrás del estudio dice que si pueden entender por qué el sistema TOI-178 es tan diferente, podría convertirse en una especie de Rosetta Stone para descifrar el sistema solar y desarrollar planetas. Crédito de la foto: Leleu et al, 2021.

Como escriben los autores en su artículo: “Determinar la arquitectura de los sistemas multiplanetarios es una de las piedras angulares para comprender la formación y evolución de los planetas. Los sistemas de resonancia son particularmente importantes porque la fragilidad de su formación orbital asegura que no haya dispersión o colisión importante”. El evento ha ocurrido desde la etapa de formación inicial cuando no existía el disco planetario original.

La hipótesis nebular, también llamada Modelo de disco de nebulosa solar (SNDM), es la teoría de trabajo de la formación de nuestro sistema solar y más. Según el modelo, una nube molecular gigante sufre un colapso gravitacional y, cuando se acumula suficiente gas, finalmente comienza a fusionarse y comienza la vida de las estrellas. La estrella capturará la mayor parte del material en la nube, y en nuestro sistema solar, el Sol tiene la parte del león: alrededor del 99,86%.

Componer el material restante Disco planetario primario, Que gira alrededor de la estrella en forma de pastel aplanado. Cuando los materiales se agrupan en un disco planetario primario giratorio, eventualmente forman planetas. Hay algunos problemas con la hipótesis de la nebulosa y otras teorías han intentado explicarlos.

Estas son imágenes de discos protoplanetarios cercanos.  En el centro de cada estrella hay una estrella pequeña, y los huecos en los discos son el resultado de la formación de exoplanetas.  Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Andrews et al.  ;  NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello
Estas son imágenes de discos protoplanetarios cercanos. En el centro de cada estrella hay una estrella pequeña, y los huecos en los discos son el resultado de la formación de exoplanetas. Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Andrews et al. ; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

Pero este sistema desafía esa teoría. SNDM sugiere que los planetas terrestres rocosos se forman cerca de la estrella. Comienzan como un embrión planetario y mediante violentas fusiones crean planetas como Venus, Mercurio, Marte y la Tierra. Los gigantes gaseosos, según SNDM, se están formando fuera de la línea de congelación en el sistema solar, donde los embriones del planeta se forman a partir de volátiles congelados.

Pero el sistema TOI-178 desafía esa comprensión. Si los planetas de este sistema siguen el sistema SNDM, los planetas gaseosos estarán más lejos de la estrella y los planetas rocosos estarán más cerca. Como no lo son, algo debe haberlos incapacitado. Pero si algo los interrumpiera, sus órbitas no estarían diseñadas con un ritmo tan maravilloso. Es un misterio.

“Comprender la disrupción que aparece en un cuadro en términos de la densidad de planetas en un lado y el alto nivel de orden visto en la arquitectura orbital en el otro lado desafiará los modelos de formación del sistema planetario”, escribieron.

Sistemas como estos son difíciles de entender, pero en última instancia, llevan a los investigadores a pensar con más seriedad y observar plenamente.

El equipo de científicos escribió en su conclusión: “El sistema TOI-178, como lo revelan observaciones recientes descritas en este documento, tiene una serie de características muy importantes: Eco de Laplace, Variación en la densidad de un planeta a otro y brillo estelar que permiten una serie de observaciones de seguimiento (fotometría, atmósfera y espectroscopia). Por lo tanto, es probable que se convierta en una de las piedras de Rashid para comprender la formación y evolución de los planetas, incluso si se descubren planetas adicionales que continúan en la cadena de ecos de Laplace mientras orbitan dentro de la zona habitable “.

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