Ciencias

Sistema exoplanetario encontrado con 6 mundos en resonancia orbital

A 200 años luz de la Tierra, hay una estrella de secuencia principal tipo K llamada TOI (Objeto de interés TESS) 178. Cuando Adrian Leleu, astrofísico del Centro para el Espacio y la Habitabilidad de la Universidad de Berna, lo observó , parecía tener dos planetas orbitando aproximadamente a la misma distancia. Pero resultó ser incorrecto. De hecho, seis exoplanetas orbitan la pequeña estrella.

Y cinco de estos seis están bloqueados en una configuración orbital inesperada.

Cinco de los planetas están involucrados en una rara danza rítmica alrededor de la estrella. En términos astronómicos, se encuentran en un entorno inusual. resonancia orbital, lo que significa que sus órbitas alrededor de su estrella exhiben patrones repetidos. Esta propiedad los convierte en un intrigante objeto de estudio y puede decirnos mucho sobre cómo se forman y evolucionan los planetas.

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

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

Adrian Leleu dirige un equipo de investigadores que han estudiado el fenómeno inusual. Presentaron sus hallazgos en un artículo titulado “Seis planetas en tránsito y una cadena de resonancia de Laplace en TOI-178. El artículo fue publicado en la revista Astronomy and Astrophysics.

En las observaciones iniciales del equipo, parecía que solo había dos planetas, ya que cinco de ellos se movían de una manera que engañaría a los ojos. Pero otras observaciones mostraron que algo más estaba sucediendo en el sistema. “A través de otras observaciones, nos dimos cuenta de que no había dos planetas orbitando la estrella aproximadamente a la misma distancia de ella, sino varios planetas en una configuración muy especial”, dijo el autor principal Leleu.

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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 al asignar una nota (en la escala pentatónica) a cada uno de los planetas en la cadena de resonancia. Esta nota se toca cuando un planeta completa una órbita completa o media; cuando los planetas se alinean en estos puntos en sus órbitas, se tocan en resonancia. Crédito: ESO

La resonancia orbital del TOI-178 es similar a otra resonancia orbital familiar aquí mismo en nuestro Sistema Solar. Esto abarca las lunas de Júpiter, Ío, Europa y Ganímedes.

La resonancia orbital compartida por Ganímedes, Europa e Io es bastante simple. Io hace cuatro órbitas completas para cada órbita de Ganímedes y dos órbitas completas para la órbita completa de Europa. Pero los planetas alrededor de TOI-178 tienen una relación mucho más compleja.

Los cinco planetas exteriores del TOI-178 están en una cadena de resonancia 18: 9: 6: 4: 3. El primero en la cadena y el segundo en la estrella completan 18 órbitas, el segundo en la cadena y el tercero en la estrella. completa 9 órbitas y continúa desde allí. El planeta más cercano a la estrella no forma parte de la cadena.

Para que un sistema orbite su estrella de una manera tan ordenada y predecible, las condiciones deben ser relativamente tranquilas en ese sistema. Los impactos gigantes o las migraciones de planetas lo habrían detenido. “Las órbitas en este sistema están muy bien ordenadas, lo que nos dice que este sistema ha evolucionado sin problemas desde su nacimiento”, explicó el coautor Yann Alibert, 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 más allá del cinturón de asteroides no lo son; son gaseosos. Este es uno de esos casos en los que podemos tener la tentación de pensar que nuestro Sistema Solar representa algún tipo de norma. Pero el sistema TOI-178 es muy diferente. Los planetas gaseosos y rocosos no se describen como en nuestro sistema.

“Parece que hay un planeta tan denso como la Tierra junto a un planeta muy lindo con la mitad de la densidad de Neptuno, seguido de un planeta con la densidad de Neptuno. No es a lo que estamos acostumbrados ”, dijo Nathan Hara, de la Université de Genève, Suiza, uno de los investigadores involucrados en el estudio.

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

El equipo utilizó algunos de los instrumentos emblemáticos más avanzados del Observatorio Europeo en este trabajo. O CAFÉ EXPRÉS instrumento en el VLT, y el NGTS y ESPECULOOS instrumentos en el Observatorio Paranal de ESO. También utilizaron el sistema de la Agencia Espacial Europea. CHEOPS satélite exoplaneta. Todos estos instrumentos se especializan de una forma u otra en el estudio de exoplanetas, que son prácticamente 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.

Los instrumentos utilizados en este estudio detectan y caracterizan exoplanetas de dos formas diferentes. Pero todo se reduce a detectar la luz. El método de tránsito utilizado por NGTS (Next-Generation Transit Survey), CHEOPS (Characterizing ExOPlanet Satellite) y SPECULOOS (Search for Habitable Planets EClipsing ULtra-COOl Stars) detecta la caída de la luz de las estrellas cuando un exoplaneta pasa frente a su estrella. El método de velocidad radial empleado por ESPRESSO detecta cambios en el espectro normal de la luz de las estrellas cuando un exoplaneta tira de la estrella y cambia su posición ligeramente.

Utilizando varios instrumentos con diferentes métodos y recursos, el equipo pudo caracterizar el sistema en detalle. El planeta más interno del sistema, que no está en resonancia con otros, se mueve más rápido. Completa una órbita en solo dos días terrestres. El planeta más lento se mueve diez veces más lento que eso. Los tamaños de los planetas varían de uno a tres tamaños de la Tierra, y las masas varían de 1,5 a 30 veces la masa de la Tierra.

La resonancia orbital de los planetas está en exquisito equilibrio. Los autores escriben que “la configuración orbital del TOI-178 es demasiado frágil para sobrevivir a impactos gigantes, o incluso encuentros cercanos significativos … un cambio repentino en el período de uno de los planetas de menos de 0.01 d puede hacer que el sistema caótico. “También escriben que sus datos” … muestran que modificar un solo eje de período puede romper la estructura resonante de toda la cadena “.

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

Esta figura de 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 de los planetas disminuye cuando la temperatura de equilibrio disminuye.  A diferencia de los tres sistemas de Kepler, en el sistema TOI-178, la densidad de los planetas no es una función creciente de la temperatura de equilibrio.  El equipo detrás de este estudio dice que si pueden entender por qué el sistema TOI-178 es diferente, podría convertirse en una especie de Rosette Stone para descifrar el sistema solar y el desarrollo planetario.  Crédito de la imagen: Leleu et al, 2021.
Esta figura de 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 de los planetas disminuye
cuando la temperatura de equilibrio disminuye. A diferencia de los tres sistemas de Kepler, en el sistema TOI-178, la densidad de los planetas no aumenta.
Función de temperatura de equilibrio. El equipo detrás de este estudio dice que si pueden entender por qué el sistema TOI-178 es diferente, podría convertirse en una especie de Rosette Stone para descifrar el sistema solar y el desarrollo planetario. Crédito de la imagen: 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 resonantes son especialmente importantes porque la fragilidad de su configuración orbital asegura que no haya ocurrido ningún evento significativo de dispersión o colisión desde la primera fase de formación, cuando el disco protoplanetario principal todavía estaba presente. “

La hipótesis nebular, también llamada Modelo de disco nebular solar (SNDM), es la teoría de trabajo para la formación de nuestro Sistema Solar y otros. Según el modelo, una nube molecular gigante sufre un colapso gravitacional y, cuando se junta una cantidad suficiente de gas, finalmente comienza a fusionarse y comienza la vida de una estrella. La mayor parte del material de las nubes será absorbido por la estrella y, en nuestro Sistema Solar, el Sol tiene la parte del león: alrededor del 99,86%.

El material restante constituye el disco protoplanetario, que gira alrededor de la estrella en forma de panqueque plano. A medida que el material se acumula en el disco protoplanetario giratorio, eventualmente forma planetas. Hay algunos problemas con la hipótesis nebular y otras teorías han tratado de explicarlos.

Estas son imágenes de discos protoplanetarios cercanos.  En el centro de cada una hay una estrella joven y los huecos en los discos son causados ​​por 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 una hay una estrella joven y los huecos en los discos son causados ​​por 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 cerca de la estrella se forman planetas rocosos y terrestres. Comienzan como embriones planetarios y, a través de fusiones violentas, crean planetas como Venus, Mercurio, Marte y la Tierra. Los gigantes gaseosos, según el SNDM, se forman más allá de la línea de congelación del 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 siguieran el SNDM, los planetas gaseosos estarían más lejos de la estrella y los planetas rocosos estarían más cerca. Como no lo son, algo debe haberlos molestado. Pero si algo los interrumpiera, sus órbitas no serían coreografiadas a un ritmo tan exquisito. Es un enigma.

“Comprender, en una sola estructura, el aparente desorden en términos de densidad planetaria por un lado y el alto nivel de orden visto en la arquitectura orbital por el otro, será un desafío para los modelos de formación de sistemas planetarios”, escriben.

Los sistemas como este son difíciles de entender, pero en última instancia, llevan a los investigadores a pensar más y observar más a fondo.

Como escribió el equipo de científicos en su conclusión: “El sistema TOI-178, como lo revelan las observaciones recientes descritas en este artículo, contiene una serie de características muy importantes: Resonancias de Laplace, variación de densidades de un planeta a otro y un brillo estelar que permite una serie de observaciones acompañantes (fotométricas, atmosféricas y espectroscópicas). Por lo tanto, es probable que se convierta en una de las Piedras Rosette para comprender la formación y evolución de los planetas, más aún si se descubren planetas adicionales que continúan la cadena de resonancia de Laplace orbitando dentro de la zona habitable. “

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Prudencia Febo

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