Toen NASA in februari de ontdekking van het TRAPPIST-1-systeem aankondigde, veroorzaakte dat nogal wat opschudding, en met goede reden. Drie van de zeven planeten ter grootte van de aarde lagen in de bewoonbare zone van de ster, wat betekent dat ze geschikte omstandigheden voor het leven kunnen herbergen.

Maar een van de grootste puzzels van het oorspronkelijke onderzoek waarin het systeem werd beschreven, was dat het onstabiel leek.

"Als je het systeem simuleert, de planeten beginnen in minder dan een miljoen jaar op elkaar te botsen, " zegt Dan Tamayo, een postdoc bij U of T Scarborough's Centre for Planetary Science.

"Dit lijkt misschien een lange tijd, maar het is eigenlijk gewoon een astronomische oogwenk. We zouden veel geluk hebben als we TRAPPIST-1 zouden ontdekken vlak voordat het uit elkaar viel, dus er moet een reden zijn waarom het stabiel blijft."

Tamayo en zijn collega's lijken een reden te hebben gevonden. In onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Astrofysische journaalbrieven , ze beschrijven de planeten in het TRAPPIST-1-systeem als zijnde in iets dat een "resonantieketen" wordt genoemd en die het systeem sterk kan stabiliseren.

In resonante configuraties, baanperioden van planeten vormen verhoudingen van gehele getallen. Het is een heel technisch principe, maar een goed voorbeeld is hoe Neptunus drie keer om de zon draait in de tijd die Pluto nodig heeft om twee keer om de zon te draaien. Dit is een goede zaak voor Pluto, want anders zou het niet bestaan. Omdat de banen van de twee planeten elkaar kruisen, als de dingen willekeurig waren, zouden ze botsen, maar door resonantie, de locaties van de planeten ten opzichte van elkaar blijven zich herhalen.

"Er is een ritmisch herhalend patroon dat ervoor zorgt dat het systeem gedurende een lange periode stabiel blijft, " zegt Matt Russo, een postdoc aan het Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) die heeft gewerkt aan creatieve manieren om het systeem te visualiseren.

TRAPPIST-1 tilt dit principe naar een heel ander niveau met alle zeven planeten in een keten van resonanties. Om deze opmerkelijke configuratie te illustreren, Tamayo, Russo en collega Andrew Santaguida maakten een animatie waarin de planeten een pianonoot spelen elke keer dat ze voor hun gastster passeren, en een tromgeroffel elke keer dat een planeet zijn naaste buur inhaalt.

Omdat de perioden van de planeten eenvoudige verhoudingen van elkaar zijn, hun beweging creëert een gestaag herhalend patroon dat vergelijkbaar is met hoe we muziek spelen. Eenvoudige frequentieverhoudingen zorgen er ook voor dat twee noten aangenaam klinken als ze samen worden gespeeld.

Het versnellen van de orbitale frequenties van de planeten in het menselijk gehoorbereik produceert een soort astrofysische symfonie, maar een die zich op meer dan 40 lichtjaar afstand afspeelt.

"De meeste planetaire systemen zijn als bands van amateurmuzikanten die hun partijen met verschillende snelheden spelen, " zegt Russo. "TRAPPIST-1 is anders; het is een supergroep met alle zeven leden die hun delen in bijna perfecte tijd synchroniseren."

Maar zelfs gesynchroniseerde banen overleven niet per se erg lang, merkt Tamayo op. Om technische redenen, chaostheorie vereist ook nauwkeurige orbitale uitlijningen om ervoor te zorgen dat systemen stabiel blijven. Dit kan verklaren waarom de simulaties in het originele ontdekkingspapier er snel toe leidden dat de planeten met elkaar in botsing kwamen.

"Het is niet zo dat het systeem gedoemd is, het is dat stabiele configuraties erg exact zijn, "zegt hij. "We kunnen op dit moment niet alle orbitale parameters goed genoeg meten, dus de gesimuleerde systemen bleven resulteren in botsingen omdat de opstellingen niet nauwkeurig waren."

Om dit te overwinnen, keken Tamayo en zijn team naar het systeem niet zoals het nu is, maar hoe het oorspronkelijk gevormd kan zijn. Toen het systeem werd geboren uit een schijf van gas, de planeten hadden ten opzichte van elkaar moeten migreren, waardoor het systeem zich op natuurlijke wijze kan nestelen in een stabiele resonantieconfiguratie.

“Dit betekent dat in een vroeg stadium de baan van elke planeet werd afgestemd om het harmonieus te maken met zijn buren, op dezelfde manier waarop instrumenten door een band worden gestemd voordat deze begint te spelen, ", zegt Russo. "Daarom levert de animatie zulke mooie muziek op."

Het team testte de simulaties met behulp van het supercomputing-cluster van het Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) en ontdekte dat de meerderheid die ze genereerden stabiel bleef zolang ze het konden uitvoeren. Dit was ongeveer 100 keer langer dan het duurde voordat de simulaties in de originele onderzoekspaper waarin TRAPPIST-1 werd beschreven, uit de hand liepen.

"Het lijkt op de een of andere manier poëtisch dat deze speciale configuratie die zulke opmerkelijke muziek kan genereren ook verantwoordelijk kan zijn voor het systeem dat tot op de dag van vandaag overleeft, ' zegt Tamaya.