На расстоянии 200 световых лет от Земли находится звезда главной последовательности K-типа, названная TOI (интересующий объект TESS) 178. Когда Адриан Лелеу, астрофизик из Центра космоса и обитаемости Университета Берна, заметил ее, она казалось, что вокруг него вращаются две планеты примерно на одинаковом расстоянии. Но это оказалось неверным. Фактически, вокруг маленькой звезды вращаются шесть экзопланет.
И пять из этих шести заблокированы в неожиданной орбитальной конфигурации.
Пять планет участвуют в редком ритмичном танце вокруг звезды. С астрономической точки зрения они находятся в необычном орбитальный резонанс , что означает, что их орбиты вокруг звезды имеют повторяющиеся закономерности. Это свойство делает их интересным объектом изучения, который может многое рассказать нам о том, как формируются и развиваются планеты.
«В ходе дальнейших наблюдений мы поняли, что не было двух планет, вращающихся вокруг звезды на примерно одинаковом расстоянии от нее, а скорее нескольких планет в очень особой конфигурации».
Адриан Лелеу, Центр космоса и обитаемости, Бернский университет.
Адриан Лелеу возглавляет группу исследователей, изучавших необычное явление. Они представили свои выводы в документе под названием « Шесть транзитных планет и цепочка резонансов Лапласа в TOI-178 . » Статья опубликована в журнале Astronomy and Astrophysics.
В ходе первоначальных наблюдений группы выяснилось, что планет было всего две, так как пять из них движутся таким образом, что обманывают глаз. Но дальнейшие наблюдения показали, что в системе происходит что-то еще. «В ходе дальнейших наблюдений мы поняли, что не было двух планет, вращающихся вокруг звезды примерно на одинаковом расстоянии от нее, а было несколько планет в очень особой конфигурации», - сказал ведущий автор Лелеу.
В анимации этого художника ритмическое движение планет вокруг центральной звезды представлено через музыкальную гармонию, созданную путем присвоения ноты (в пентатонической шкале) каждой из планет в резонансной цепи. Эта нота проигрывается, когда планета совершает либо один полный оборот по орбите, либо половину оборота; когда планеты выравниваются в этих точках своей орбиты, они звучат в резонансе. Предоставлено: ESO.
Орбитальный резонанс TOI-178 похож на другой известный орбитальный резонанс прямо здесь, в нашей Солнечной системе. Он включает спутники Юпитера Ио, Европу и Ганимед.
Орбитальный резонанс, разделяемый Ганимедом, Европой и Ио, довольно прост. Ио совершает четыре полных витка для каждой отдельной орбиты Ганимеда и две полные орбиты для полной орбиты Европы. Но планеты вокруг TOI-178 имеют гораздо более сложную взаимосвязь.
Пять внешних планет TOI-178 находятся в резонансной цепи 18: 9: 6: 4: 3. Первый в цепочке и второй от звезды совершает 18 витков, второй в цепочке и третий от звезды завершает 9 витков, и оттуда продолжается. Ближайшая к звезде планета не входит в цепочку.
Чтобы система вращалась вокруг своей звезды таким упорядоченным и предсказуемым образом, условия в этой системе должны быть относительно спокойными. Гигантские столкновения или миграции планет нарушили бы его. «Орбиты в этой системе очень хорошо упорядочены, что говорит нам о том, что эта система эволюционировала довольно плавно с момента своего рождения», - объяснил соавтор Янн Алиберт из Бернского университета.
Но это еще не все.
В нашей Солнечной системе все маленькие внутренние планеты каменистые, в то время как планеты внешней Солнечной системы большие и газообразные. За Нептуном находится область ледяных карликовых планет и объектов пояса Койпера. Изображение предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения / МАС.
В нашей Солнечной системе внутренние планеты каменистые, а планеты за поясом астероидов - нет; они газообразные. Это один из тех случаев, когда у нас может возникнуть соблазн думать, что наша Солнечная система представляет собой некую норму. Но система ТОИ-178 сильно отличается. Газообразные и каменистые планеты не разграничены, как в нашей системе.
«Похоже, что есть планета такой же плотности, как Земля, рядом с очень пушистой планетой с плотностью вдвое меньшей Нептуна, за которой следует планета с плотностью Нептуна. Это не то, к чему мы привыкли », - сказал Натан Хара из Университета Женевы, Швейцария, один из исследователей, участвовавших в исследовании.
«Этот контраст между ритмической гармонией орбитального движения и беспорядочной плотностью определенно бросает вызов нашему пониманию формирования и эволюции планетных систем», - говорит Лелеу.
В этой работе команда использовала одни из самых передовых и флагманских инструментов Европейской обсерватории. В ВЫРАЖЕННЫЙ прибор на VLT, а NGTS а также СПЕКУЛЫ инструменты в обсерватории Паранал ESO. Они также использовали ЧЕОПС экзопланета спутник. Все эти инструменты так или иначе специализируются на изучении экзопланет, которые практически невозможно обнаружить с помощью «обычного» телескопа.
Экзопланеты находятся далеко от Земли, и непреодолимый свет их звезд делает их почти невидимыми в обычный оптический телескоп.
Инструменты, использованные в этом исследовании, обнаруживают и характеризуют экзопланеты несколькими различными способами. Но все сводится к обнаружению света. Метод транзита, используемый NGTS (исследование транзита следующего поколения), CHEOPS (характеристика спутника экзопланеты) и SPECULOOS (поиск обитаемых планет, затягивающих сверххолодные звезды), обнаруживает падение в звездном свете, когда экзопланета проходит перед своей звездой. Метод лучевых скоростей, используемый ESPRESSO, обнаруживает сдвиги в нормальном спектре звездного света, когда экзопланета тянет за звезду и очень немного меняет свое положение.
Используя несколько инструментов с разными методами и возможностями, команда смогла детально охарактеризовать систему. Самая внутренняя планета в системе, которая не находится в резонансе с другими, движется быстрее всех. Он совершает оборот по орбите всего за два земных дня. Самая медленная планета движется в десять раз медленнее, чем эта. Размеры планет колеблются от одного до трех размеров Земли, а масса от 1,5 до 30 масс Земли.
Орбитальный резонанс планет находится в идеальном равновесии. Авторы пишут, что «орбитальная конфигурация TOI-178 слишком хрупка, чтобы выдержать гигантские столкновения или даже значительные близкие столкновения… внезапное изменение периода одной из планет менее чем на несколько 0,01 дня может сделать систему хаотичной. ” Они также пишут, что их данные «… показывают, что изменение одной оси периода может нарушить резонансную структуру всей цепочки».
Это открытие просто означает больше работы для астрономов. Необычный орбитальный резонанс и положения планет означают, что им необходимо переосмыслить некоторые из наших теорий о формировании и эволюции планет и солнечных систем.
На этом рисунке из исследования сравниваются плотность, масса и равновесная температура планет TOI-178 с другими системами экзопланет. В Кеплер-60,
Кеплер-80 и Кеплер-223, плотность планет уменьшается
при понижении равновесной температуры. В отличие от трех систем Кеплера, в системе TOI-178 плотность планет не растет.
функция равновесной температуры. Команда, стоящая за этим исследованием, говорит, что если они смогут понять, чем система TOI-178 отличается, она может стать своего рода Розеттским камнем для расшифровки солнечной системы и планетарного развития. Кредит изображения: Лелеу и др., 2021 год.
Как пишут авторы в своей статье: «Определение архитектуры многопланетных систем является одним из краеугольных камней понимания образования и эволюции планет. Резонансные системы особенно важны, поскольку хрупкость их орбитальной конфигурации гарантирует, что не произойдет никакого значительного рассеяния или столкновения с момента самой ранней фазы формирования, когда родительский протопланетный диск еще присутствовал ».
Небулярная гипотеза, также называемая Модель солнечного небулярного диска (SNDM) - это рабочая теория формирования нашей Солнечной системы и других. Согласно модели, гигантское молекулярное облако подвергается гравитационному коллапсу, и когда достаточно газа собирается вместе, оно в конечном итоге начинает синтез, и начинается жизнь звезды. Большая часть вещества в облаке будет поглощена звездой, а в нашей Солнечной системе на Солнце приходится львиная доля: около 99,86%.
Оставшийся материал составляет протопланетный диск , который вращается вокруг звезды в форме приплюснутого блина. Когда материал слипается во вращающемся протопланетном диске, он в конечном итоге формирует планеты. Есть некоторые проблемы с гипотезой туманностей, и другие теории пытались их объяснить.
Это изображения ближайших протопланетных дисков. В центре каждой из них находится молодая звезда, а промежутки в дисках вызваны образованием экзопланет. Авторы и права: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), С. Эндрюс и др .; NRAO / AUI / NSF, С. Дагнелло
Но эта система бросает вызов этой теории. SNDM предполагает, что скалистые планеты земной группы образуются ближе к звезде. Они начинаются как планетарные зародыши и посредством насильственных слияний создают планеты, такие как Венера, Меркурий, Марс и Земля. Газовые гиганты, согласно SNDM, образуются за пределами линии замерзания Солнечной системы, где зародыши планет формируются из замороженных летучих веществ.
Но система TOI-178 бросает вызов этому пониманию. Если бы планеты в этой системе следовали SNDM, то газовые планеты были бы дальше от звезды, а каменистые планеты были бы ближе. Поскольку это не так, должно быть, что-то их нарушило. Но если бы что-то их нарушило, их орбиты не смогли бы выстроиться в таком изысканном ритме. Это загадка.
«Понимание в единой системе явного беспорядка с точки зрения планетарной плотности с одной стороны и высокого уровня порядка, наблюдаемого в орбитальной архитектуре с другой стороны, будет проблемой для моделей формирования планетных систем», - пишут они.
Подобные системы сложно понять, но в конечном итоге они побуждают исследователей больше думать и наблюдать более подробно.
Как пишет группа ученых в своем заключении: «Система TOI-178, как показали недавние наблюдения, описанные в этой статье, содержит ряд очень важных особенностей: Лапласовские резонансы , изменение плотности от планеты к планете и яркость звезд, которая позволяет проводить ряд последующих наблюдений (фотометрических, атмосферных и спектроскопических). Следовательно, он, вероятно, станет одним из Розеттских камней для понимания образования и эволюции планет, тем более, если будут обнаружены дополнительные планеты, продолжающие цепочку резонансов Лапласа, вращающиеся внутри обитаемой зоны ».
Более:
- Пресс-релиз: Загадочная система из шести экзопланет с ритмичным движением бросает вызов теориям о том, как формируются планеты
- Опубликованные исследования: Шесть транзитных планет и цепочка резонансов Лапласа в TOI-178
- Вселенная сегодня: Астрономы видят недавно формирующийся планетный диск, который продолжает питаться материалом из своей туманности