Astronomowie odkrywają pobliski układ słoneczny z sześcioma planetami o „nieskazitelnej konfiguracji”

Orbity sześciu planet krążących wokół gwiazdy o nazwie HD110067 tworzą geometryczny wzór ze względu na ich rezonans. // Zdjęcie: Thibaut Roger/NCCR PlanetS 

Astronomowie wykorzystali dwa różne satelity do wykrywania egzoplanet, aby rozwiązać kosmiczną zagadkę i odkryć rzadką rodzinę sześciu planet znajdujących się około 100 lat świetlnych od Ziemi. Odkrycie to może pomóc naukowcom odkryć sekrety powstawania planet. 

Sześć egzoplanet krąży wokół jasnej gwiazdy podobnej do Słońca o nazwie HD110067, która znajduje się w konstelacji Coma Berenices na północnym niebie. Planety te, większe od Ziemi, ale mniejsze od Neptuna, należą do mało zrozumiałej klasy zwanej sub-Neptunami, powszechnie występującej wokół gwiazd podobnych do Słońca w Drodze Mlecznej. Planety, oznaczone literami od b do g, krążą wokół gwiazdy w niebiańskim tańcu znanym jako rezonans orbitalny. 

Według badań opublikowanych w środę w czasopiśmie Nature, istnieją wyraźne wzorce, którymi poruszają się planety, gdy wykonują swoje orbity i wywierają na siebie siły grawitacyjne. Na każde sześć orbit wykonanych przez planetę b, najbliższą gwieździe, najbardziej oddalona planeta g wykonuje jedną. Gdy planeta c wykonuje trzy obroty wokół gwiazdy, planeta d wykonuje dwa, a gdy planeta e wykonuje cztery orbity, planeta f wykonuje trzy. Ten harmoniczny rytm tworzy łańcuch rezonansowy, w którym wszystkie sześć planet ustawia się co kilka orbit. To, co czyni tę planetarną rodzinę niezwykłym znaleziskiem, to fakt, że niewiele się zmieniło od czasu uformowania się systemu ponad 1 miliard lat temu, a odkrycie to może rzucić światło na ewolucję planet i pochodzenie przeważających sub-Neptunów w naszej rodzimej galaktyce. 

Odkrycie tajemnicy 

Naukowcy po raz pierwszy zwrócili uwagę na ten układ gwiezdny w 2020 roku, kiedy należący do NASA satelita Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) wykrył spadki jasności HD110067. Spadek jasności gwiazdy często sugeruje obecność planety, która przechodzi między gwiazdą macierzystą a satelitą obserwacyjnym, gdy planeta porusza się po swojej orbicie. Wykrywanie takich spadków jasności, znane jako metoda tranzytu, jest jedną z głównych strategii wykorzystywanych przez naukowców do identyfikacji egzoplanet za pomocą teleskopów naziemnych i kosmicznych. Astronomowie określili okresy orbitalne dwóch planet wokół gwiazdy na podstawie danych z 2020 roku. Dwa lata później TESS ponownie obserwował gwiazdę, a dowody sugerowały różne okresy orbitalne dla tych planet. 

Kiedy zestawy danych się nie zgadzały, astronom i główny autor badania Rafael Luque wraz z kilkoma kolegami postanowili ponownie przyjrzeć się gwieździe za pomocą innego satelity - CHaracterising ExOPlanet Satellite (Cheops) Europejskiej Agencji Kosmicznej. Podczas gdy TESS jest wykorzystywany do krótkich obserwacji ułamków nocnego nieba, Cheops obserwuje jedną gwiazdę na raz. „Poszukiwaliśmy sygnałów wśród wszystkich potencjalnych okresów, jakie mogą mieć te planety” - powiedział Luque, doktorant na wydziale astronomii i astrofizyki Uniwersytetu w Chicago. 

Dane zebrane przez Cheopsa pomogły zespołowi rozwiązać „detektywistyczną historię” rozpoczętą przez TESS. Cheops był w stanie określić obecność trzeciej planety w układzie, co było kluczowe dla potwierdzenia okresów orbitalnych pozostałych dwóch planet, a także ich rytmicznego rezonansu. Gdy zespół dopasował resztę niewyjaśnionych danych TESS do obserwacji Cheopsa, odkrył pozostałe trzy planety krążące wokół gwiazdy. Dalsze obserwacje za pomocą teleskopów naziemnych potwierdziły obecność planet. 

Poświęcony czas Cheopsa na obserwacje gwiazdy pomógł astronomom wyjaśnić mieszane sygnały z danych TESS, aby określić liczbę planet przechodzących przed gwiazdą i rezonans ich orbit. „Cheops dał nam tę rezonansową konfigurację, która pozwoliła nam przewidzieć wszystkie inne okresy. Bez tej detekcji z Cheopsa byłoby to niemożliwe” - powiedział Luque. Najbliższa planeta potrzebuje nieco ponad dziewięciu dni ziemskich, aby zakończyć orbitę wokół gwiazdy, a najbardziej odległa potrzebuje około 55 dni. Wszystkie planety mają szybsze obroty wokół swojej gwiazdy niż Merkury, który potrzebuje 88 dni na wykonanie jednego okrążenia wokół Słońca. 

Biorąc pod uwagę bliskość HD110067, planety te mają prawdopodobnie bardzo wysokie średnie temperatury podobne do Merkurego i Wenus, wahające się od 332 stopni Fahrenheita do 980 stopni Fahrenheita (167 stopni Celsjusza do 527 stopni Celsjusza). 

Dlaczego rytm planetarny ma znaczenie? 

Formowanie się układów planetarnych, takich jak nasz własny Układ Słoneczny, może być procesem gwałtownym. Choć astronomowie uważają, że planety początkowo formują się w rezonansie wokół gwiazd, wpływ grawitacyjny masywnych planet, zderzenie z przelatującą gwiazdą lub kolizja z innym ciałem niebieskim może zaburzyć równowagę harmoniczną. Większość układów planetarnych nie jest w rezonansie, a te z wieloma planetami, które zachowały swoje początkowe rytmiczne orbity, są rzadkością, dlatego astronomowie chcą szczegółowo zbadać HD110067 i jej planety jako „rzadką skamielinę”, powiedział Luque. 

„Uważamy, że tylko około jeden procent wszystkich układów pozostaje w rezonansie” - powiedział Luque w oświadczeniu. „To pokazuje nam dziewiczą konfigurację układu planetarnego, który przetrwał nietknięty”. Odkrycie to jest drugim przypadkiem, gdy Cheops pomógł ujawnić układ planetarny z rezonansem orbitalnym. Pierwszy, znany jako TOI-178, został ogłoszony w 2021 roku. „Jak to ujął nasz zespół naukowy: Cheops sprawia, że wybitne odkrycia brzmią zwyczajnie. Spośród zaledwie trzech znanych układów rezonansowych z sześcioma planetami, ten jest już drugim odkrytym przez Cheopsa, i to w ciągu zaledwie trzech lat działalności” - powiedział w oświadczeniu Maximilian Günther, naukowiec projektu ESA Cheops. 

Idealny cel obserwacji 

Autorzy badania stwierdzili, że system może być również wykorzystywany do badania formowania się sub-Neptunów. Podczas gdy sub-Neptuny są powszechne w galaktyce Drogi Mlecznej, nie występują one w naszym własnym Układzie Słonecznym. Astronomowie nie są zgodni co do tego, jak powstają te planety i z czego są zbudowane - więc cały system składający się z sub-Neptunów mógłby pomóc naukowcom w ustaleniu ich pochodzenia, powiedział Luque. Znaleziono wiele egzoplanet krążących wokół gwiazd karłowatych, które są znacznie chłodniejsze i mniejsze od naszego Słońca, takich jak słynny układ TRAPPIST-1 i jego siedem planet, ogłoszony w 2017 roku. Podczas gdy układ TRAPPIST-1 również posiada łańcuch rezonansowy, słabość gwiazdy-gospodarza utrudnia obserwacje. 

Jednak HD110067, która ma 80% masy naszego Słońca, jest najjaśniejszą znaną gwiazdą z więcej niż czterema planetami na orbicie, więc obserwacja systemu jest znacznie łatwiejsza. Wstępne pomiary masy planet sugerują, że niektóre z nich mają puszyste, bogate w wodór atmosfery, co czyni je idealnymi celami badań dla Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Ponieważ światło gwiazd filtruje przez atmosfery planet, Webb może zostać wykorzystany do określenia składu. 

„Planety pod-Neptunowe układu HD110067 wydają się mieć niskie masy, co sugeruje, że mogą być bogate w gaz lub wodę. Przyszłe obserwacje, na przykład za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, tych atmosfer planetarnych mogą określić, czy planety mają skaliste lub bogate w wodę struktury wewnętrzne” - powiedziała w oświadczeniu współautorka badania Jo Ann Egger, doktorantka astrofizyki na Uniwersytecie w Bernie w Szwajcarii.