Orbity niczym "struny instrumentu". Ciekawy przypadek rezonansu grawitacyjnego

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. Początkowo - gdy badacze obrali sobie za cel obserwacji gwiazdę TOI-178 (odległą o ok. 200 lat świetlnych, w stronę konstelacji Rzeźbiarza) - cały układ wzięto za dwie planety krążące po tej samej orbicie. Dokładniejsze badania pokazały jednak 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” - przyznał Adrien Leleu z Université de Genève oraz University of Bern (Szwajcaria), kierujący badaniami opublikowanymi w Astronomy & Astrophysics.

Głębszy wgląd ujawnił system posiadający aż sześć egzoplanet - co więcej, wszystkie oprócz najbliższej względem gwiazdy zgrały się w rytmicznym postępie po swoich orbitach. W terminologii astronomicznej nazywa się to rezonansem orbitalnym (grawitacyjnym) - oznacza, że istnieją powtarzające się wzorce poruszania się planet wokół gwiazdy, z takimi samymi ustawieniami co kilka orbit. Podobny rezonans jest obserwowany w układzie Jowisza i jego księżyców - dla orbit trzech z nich: Io, Europy i Ganimedesa. Najbliższy z nich względem Jowisza (Io), wykonuje cztery pełne orbity wokół planety, podczas gdy najdalszy (Ganimedes) wykonuje jedną swoją orbitę, a Europa dwie pełne orbity.

Tymczasem zaobserwowane 5 zewnętrznych egzoplanet w systemie TOI-178 porusza się według zdecydowanie bardziej skomplikowanego łańcucha rezonansów - jednego z najdłuższych odkrytych do tej pory w układach planetarnych. Podczas gdy trzy księżyce Jowisza są w rezonansie 4:2:1, 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 - określając, kiedy będzie widoczna przy następnym oknie obserwacyjnym.

Ten harmonijny postęp 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.

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” - dopowiada. Na przykład w naszym Układzie Słonecznym planety są całkiem uporządkowane pod względem gęstości - ze skalistymi, gęstszymi planetami bliżej gwiazdy centralnej, a większymi 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” - konkluduje Leleu.

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. Wśród zastosowanych metod wskazano: śledzenie tranzytów (obserwowanie światła emitowanego przez gwiazdę centralną, gdy nieco słabnie w trakcie przechodzenia egzoplanety przed nią) oraz wyliczanie prędkości radialnej (obserwowanie widma gwiazdy w poszukiwaniu małych zaburzeń jej trajektorii, gdy egzoplanety poruszają się po swoich orbitach). Spośród użytych narzędzi, CHEOPS, NGTS i SPECULOOS posłużyły do badania 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. Inne są planetami gazowymi, takimi jak zewnętrzne planety w Układzie Słonecznym, ale znacznie mniejszymi.

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 dostrzegać skaliste egzoplanety w ekosferach wokół gwiazd, a nawet charakteryzować ich atmosfery, dając szansę na jeszcze dokładniejsze poznanie systemów takich jak TOI-178.

Źródło: ESO