Rejtélyes hatbolygós rendszer hozta zavarba a csillagászokat

This artist’s impression shows the view from the planet in the TOI-178 system found orbiting furthest from the star. New research by Adrien Leleu and his colleagues with several telescopes, including ESO’s Very Large Telescope, has revealed that the system boasts six exoplanets and that all but the one closest to the star are locked in a rare rhythm as they move in their orbits.  But while the orbital motion in this system is in harmony, the physical properties of the planets are more disorderly, with significant variations in density from planet to planet. This contrast challenges astronomers’ understanding of how planets form and evolve. This artist’s impression is based on the known physical parameters for the planets and the star seen, and uses a vast database of objects in the Universe.

Az Európai Déli Obszervatórium Nagyon Nagy Távcsövének (ESO VLT) adatait is felhasználva csillagászok olyan bolygórendszert fedeztek fel, amelynek hat planétájából öt ritkán megvalósuló összehangolt ütemben járja körbe központi csillagát. A kutatók úgy vélik, a rendszer fontos információkkal szolgálhat a bolygók, köztük a Naprendszer égitestjeinek keletkezéséről és fejlődéséről.

Amikor a kutatócsoport először észlelte a Szobrász (Sculptor) csillagképben megfigyelhető, kb. 200 fényév távolságban lévő TOI-178 katalógusjelű csillagot, azt hitték, hogy két, ugyanazon a pályán keringő bolygót csíptek el. Az alaposabb vizsgálat azonban egészen más helyzetet tárt fel. „A további észlelések alapján felismertük, hogy nem két bolygó kering a csillagtól közel azonos távolságban, hanem több bolygó egy egészen különleges konfigurációban" – mondja Adrien Leleu (Genfi Egyetem, Berni Egyetem, Svájc), az Astronomy & Astrophysics c. folyóiratban ma megjelent, a rendszert bemutató tanulmány vezető szerzője.

Rezonanciában lévő bolygók

Az új kutatás feltárta, hogy a rendszernek hat bolygója van, amelyek a csillaghoz legközelebbi kivételével szigorúan kötött ritmusú rendben járják pályájukat. Szakkifejezéssel élve rezonanciában vannak. Ezt az jelenti, hogy a csillag körüli keringés során bizonyos konfigurációk rendszeresen ismétlődnek, egyes bolygók néhány keringés után újra és újra ugyanabban az irányban látszanak a csillag felől nézve. Hasonló rezonancia figyelhető meg a Jupiter három holdja, az Io, az Europa és a Ganymede esetében is. A három közül a Jupiterhez legközelebbi Io négy, illetve két teljes keringést végez, mialatt a legtávolabbi Ganymede és az Europa egyet-egyet.

A TOI-178 rendszer művészi elképzelése Forrás: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

A TOI-178 rendszer öt külső bolygója ennél sokkal összetettebb, az exobolygó-rendszerek esetében eddig megfigyelt egyik leghosszabb rezonancialánccal jellemezhető. Míg a három Jupiter-hold 4:2:1 arányú rezonanciában van egymással, a TOI-178 öt külső bolygója a 18:9:6:4:3 lánccal írható le: mialatt a csillagtól számított második bolygó (az első a rezonancialáncban) 18 keringést végez, a harmadik bolygó (a második a rezonancialáncban) 9 keringést, és így tovább. A kutatók először valójában csak öt bolygót azonosítottak a rendszerben, de a rezonáns ritmust követve kiszámították, hogy a pályáján hol lenne egy további bolygó, amikor újra lehetőségük nyílik a rendszer megfigyelésére.

A bolygók rezonáns tánca több égi mechanikai érdekességnél, ugyanis a rendszer múltjáról is hordoz információt. „A rendszerben a pályák nagyon szépen rendezettek, ami arra utal, hogy az a születése óta nagyobb megrázkódtatások nélkül fejlődött" – magyarázza a cikk egyik társszerzője, Yann Alibert (Berni Egyetem). Ha a rendszert korábban nagyobb zavar érte volna, például egy hatalmas becsapódás formájában, a törékeny pályakonfiguráció azt nem élte volna túl.

Rendetlenség a rendben

A pályák ugyan szép rendben követik egymást, de a bolygók sűrűségéről ugyanez már nem mondható el, azok „sokkal rendetlenebbek" – mondja a vizsgálatban szintén részt vevő Nathan Hara (Genfi Egyetem, Svájc). „Úgy tűnik, hogy az egyik bolygó sűrűsége akkora, mint a Földé, a rögtön utána következőé azonban csak fele a Neptunusz sűrűségének, míg az azt követőé annyi, mint a Neptunuszé." Például a Naprendszerben a bolygók elrendeződése sokkal szebb, a sűrűbb kőzetbolygók a központi csillaghoz közelebb, a kis sűrűségű gázóriások pedig attól távol keringenek.

„A keringés ritmikus harmóniája és a sűrűségek összevisszasága közötti kontraszt komoly kihívást jelent a bolygórendszerek keletkezését és fejlődését magyarázó elméleteink számára" – teszi hozzá Leleu.

Módszerek kombinálása

A rendszer szokatlan felépítésének vizsgálatához a kutatócsoport az Európai Űrügynökség (ESA) CHEOPS űrszondájának adatai mellett felhasználta az ESO VLT távcsőegyüttesén üzemelő ESPRESSO, illetve a szintén az ESO chilei Paranal Obszervatóriumában működő NGTS (Next-Generation Transit Survey) és SPECULOOS (Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars) műszerek által szolgáltatott adatokat is. Mivel az exobolygókat rendkívül nehéz közvetlenül megfigyelni, a csillagászoknak más technikákat kell bevetniük a detektálásukhoz. A két legfontosabb eljárás az ún. tranzitok megfigyelése, illetve a radiális sebességek mérése. Előbbi esetében a központi csillag fényességcsökkenését detektálják, miközben bolygója a Földről nézve elhalad előtte, míg utóbbinál a csillag színképvonalainak periodikus eltolódását mérik, amint keringése közben a bolygó „rángatja" a központi égitestet. A kutatócsoport mindkét módszert használta a rendszer vizsgálata során: a CHEOPS, az NGTS és a SPECULOOS a tranzitokat, az ESPRESSO a radiálissebesség-változásokat mérte.

Az ábra a TOI-178 bolygórendszer pozícióját mutatja a Szobrász csillagképben. A térkép a jó körülmények között szabad szemmel is látható csillagok többségét ábrázolja, a bolygórendszer égi pozícióját vörös kör jelöli Forrás: ESO, IAU and Sky & Telescope

A két módszer kombinálásával a csillagászoknak sikerült összegyűjteniük a legfontosabb információkat a rendszerről és a bolygóiról, amelyek mindegyike csillagához jóval közelebb kering, mint a Nap–Föld-távolság, és sokkal gyorsabban járja körbe azt, mint bolygónk a csillagunkat. A leggyorsabb (legbelső) bolygó mindössze néhány nap alatt tesz meg egy kört, míg a leglassúbbnak ehhez kb. tízszer annyi időre van szüksége. A hat bolygó mérete nagyjából a Földé és annak háromszorosa között van, míg a tömegeik 1,5 és 30 földtömeg közöttiek. Némelyik a Földnél nagyobb kőzetbolygó, ezek ún. szuperföldek, mások pedig a Naprendszer külső planétáihoz hasonló gázbolygók, de azoknál kisebbek, ezek ún. minineptunuszok.

Bár a hat bolygó egyike sem kering a csillaga lakhatósági zónájában, a kutatók szerint a rezonancialánc folytatásával esetleg találhatnak még a rendszerben további bolygókat, amelyek a zónában vagy annak közvetlen közelében vannak. Az ESO még ebben az évtizedben munkába álló Rendkívül Nagy Távcsöve (ELT) képes lesz közvetlenül is lefényképezni lakhatósági zónákban keringő kőzetbolygókat, sőt még a légkörük jellemzőit is meg tudja majd állapítani, lehetővé téve ezáltal a TOI-178-hoz hasonló rendszerek még részletesebb vizsgálatát.

Forrás: ESO