Met behulp van een combinatie van telescopen, waaronder de Very Large Telescope van de European Southern Observatory (ESO's VLT), astronomen hebben een systeem onthuld dat bestaat uit zes exoplaneten, waarvan er vijf zijn opgesloten in een zeldzaam ritme rond hun centrale ster. De onderzoekers denken dat het systeem belangrijke aanwijzingen kan geven over hoe planeten, inclusief die in het zonnestelsel, vormen en evolueren.

De eerste keer dat het team TOI-178 observeerde, een ster op zo'n 200 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Beeldhouwer, ze dachten dat ze twee planeten in dezelfde baan eromheen hadden gezien. Echter, een nadere blik onthulde iets heel anders. "Door verdere observaties realiseerden we ons dat er geen twee planeten rond de ster draaien op ongeveer dezelfde afstand ervan, maar eerder meerdere planeten in een heel speciale configuratie, " zegt Adrien Leleu van de Université de Genève en de Universiteit van Bern, Zwitserland, die een nieuwe studie van het systeem leidde die vandaag is gepubliceerd in Astronomie en astrofysica .

Het nieuwe onderzoek heeft onthuld dat het systeem zes exoplaneten heeft en dat ze allemaal, behalve degene die zich het dichtst bij de ster bevindt, opgesloten zijn in een ritmische dans terwijl ze in hun banen bewegen. Met andere woorden, ze zijn in resonantie. Dit betekent dat er patronen zijn die zich herhalen als de planeten rond de ster gaan, met sommige planeten die om de paar banen op één lijn liggen. Een soortgelijke resonantie wordt waargenomen in de banen van drie manen van Jupiter:Io, Europa en Ganymedes. Io, het dichtst van de drie bij Jupiter, voltooit vier volledige banen rond Jupiter voor elke baan die Ganymedes, het verst weg, maakt, en twee volledige banen voor elke baan die Europa maakt.

De vijf buitenste exoplaneten van het TOI-178-systeem volgen een veel complexere keten van resonantie, een van de langste ooit ontdekt in een systeem van planeten. Terwijl de drie Jupiter-manen in een 4:2:1 resonantie zijn, de vijf buitenste planeten in het TOI-178-systeem volgen een 18:9:6:4:3-keten:terwijl de tweede planeet van de ster (de eerste in de resonantieketen) 18 banen voltooit, de derde planeet vanaf de ster (tweede in de keten) voltooit 9 banen, enzovoort. In feite, vonden de wetenschappers aanvankelijk slechts vijf planeten in het systeem, maar door dit resonerende ritme te volgen, berekenden ze waar in zijn baan een extra planeet zou zijn wanneer ze de volgende keer een raam hadden om het systeem te observeren.

Meer dan alleen een orbitale nieuwsgierigheid, deze dans van resonerende planeten geeft aanwijzingen over het verleden van het systeem. "De banen in dit systeem zijn zeer goed geordend, wat ons vertelt dat dit systeem zich sinds zijn geboorte vrij geleidelijk heeft ontwikkeld, " legt co-auteur Yann Alibert van de Universiteit van Bern uit. Als het systeem eerder in zijn leven aanzienlijk was verstoord, bijvoorbeeld door een gigantische impact, deze fragiele configuratie van banen zou het niet hebben overleefd.

Stoornis in het ritmische systeem

Maar zelfs als de opstelling van de banen netjes en goed geordend is, de dichtheden van de planeten "zijn veel wanordelijker, " zegt Nathan Hara van de Université de Genève, Zwitserland, die ook bij het onderzoek betrokken was. "Het lijkt erop dat er een planeet zo dicht als de aarde is, vlak naast een heel donzige planeet met de helft van de dichtheid van Neptunus, gevolgd door een planeet met de dichtheid van Neptunus. Het is niet wat we gewend zijn." In ons zonnestelsel, bijvoorbeeld, de planeten zijn netjes gerangschikt, met de rots, dichtere planeten dichter bij de centrale ster en de pluizige, gasplaneten met een lage dichtheid verder weg.

"Dit contrast tussen de ritmische harmonie van de orbitale beweging en de wanordelijke dichtheden daagt zeker ons begrip van de vorming en evolutie van planetaire systemen uit, ' zegt Leleu.

Technieken combineren

Om de ongebruikelijke architectuur van het systeem te onderzoeken, het team gebruikte gegevens van de CHEOPS-satelliet van de European Space Agency, naast het grondgebaseerde ESPRESSO-instrument op ESO's VLT en de NGTS en SPECULOOS, beide bevinden zich op de ESO-sterrenwacht op Paranal in Chili. Omdat exoplaneten extreem lastig te herkennen zijn met telescopen, astronomen moeten in plaats daarvan vertrouwen op andere technieken om ze te detecteren. De belangrijkste methoden die worden gebruikt, zijn het afbeelden van transits - het observeren van het licht dat wordt uitgestraald door de centrale ster, die dimt als een exoplaneet ervoor passeert wanneer waargenomen vanaf de aarde - en radiale snelheden - en het lichtspectrum van de ster observeert voor kleine tekenen van wiebelen die optreden als de exoplaneten in hun banen bewegen. Het team gebruikte beide methoden om het systeem te observeren:CHEOPS, NGTS en SPECULOOS voor doorvoer en ESPRESSO voor radiale snelheden.

Door de twee technieken te combineren, astronomen waren in staat om belangrijke informatie over het systeem en zijn planeten te verzamelen, die veel dichterbij en veel sneller om hun centrale ster draaien dan de aarde om de zon draait. De snelste (de binnenste planeet) voltooit een baan in slechts een paar dagen, terwijl de langzaamste ongeveer tien keer langer duurt. De zes planeten hebben afmetingen variërend van ongeveer één tot ongeveer drie keer de grootte van de aarde, terwijl hun massa 1,5 tot 30 keer de massa van de aarde is. Sommige planeten zijn rotsachtig, maar groter dan de aarde - deze planeten staan ​​bekend als superaarde. Anderen zijn gasplaneten, zoals de buitenste planeten in ons zonnestelsel, maar ze zijn veel kleiner - deze hebben de bijnaam Mini-Neptunes.

Hoewel geen van de zes gevonden exoplaneten in de bewoonbare zone van de ster ligt, de onderzoekers suggereren dat, door de resonantieketen voort te zetten, ze zouden extra planeten kunnen vinden die in of heel dicht bij deze zone zouden kunnen bestaan. ESO's Extreem Grote Telescoop (ELT), die dit decennium in werking zal treden, in staat zullen zijn om rotsachtige exoplaneten in de bewoonbare zone van een ster direct in beeld te brengen en zelfs hun atmosferen te karakteriseren, een kans om systemen zoals TOI-178 nog gedetailleerder te leren kennen.