Загадочная система из шести экзопланет бросает вызов теориям о формировании планет

Используя целую комбинацию телескопов, в том числе Очень большой телескоп Европейской южной обсерватории (VLT ESO), астрономы обнаружили систему, состоящую сразу из шести экзопланет, пять из которых связаны в редком ритме вокруг своей центральной звезды. Исследователи считают, что система может дать важные подсказки о том, как планеты, в том числе и в Солнечной системе, образуются и развиваются.

Когда команда впервые наблюдала TOI-178 - звезду на расстоянии около 200 световых лет в созвездии Скульптора, они подумали, что заметили две планеты, вращающиеся вокруг нее по одной орбите. Однако при более внимательном рассмотрении выяснилось совсем другое. Оказалось, что там было сразу несколько планет, вращающихся в очень странной конфигурации.

Новое исследование показало, что система может похвастаться шестью экзопланетами и что все, кроме ближайшей к звезде, находятся в своего рода ритмическом танце, двигаясь по своим орбитам. Другими словами, они находятся в резонансе. Это означает, что существуют закономерности, которые повторяются при обращении планет вокруг звезды, причем некоторые планеты выравниваются каждые несколько орбит. Аналогичный резонанс наблюдается на орбитах трех спутников Юпитера: Ио, Европы и Ганимеда. Ио, ближайшая к Юпитеру из трех, совершает четыре полных оборота вокруг Юпитера для каждой орбиты, которую делает самый дальний Ганимед, и две полные орбиты для каждой орбиты, которую делает Европа.

Пять внешних экзопланет системы TOI-178 следуют гораздо более сложной цепи резонанса, одной из самых длинных из обнаруженных в системе планет. В то время как три луны Юпитера находятся в резонансе 4: 2: 1, пять внешних планет в системе TOI-178 следуют цепочке 18: 9: 6: 4: 3. То есть, в то время как вторая планета от звезды (первая из резонансной цепи) совершает 18 витков, третья планета от звезды (вторая в цепочке) совершает 9 витков и так далее. Фактически, ученые первоначально обнаружили в системе только пять планет, но, следуя этому резонансному ритму, они вычислили, где на ее орбите будет находиться дополнительная планета, когда у них появится окно для наблюдения за системой.

Ученые поясняют, что этот танец резонирующих планет - больше, чем просто орбитальное любопытство, ведь он дает ключ к разгадке прошлого системы. «Орбиты в этой системе очень хорошо упорядочены, что говорит нам о том, что эта система эволюционировала довольно плавно с момента своего рождения», - объясняет соавтор исследования Янн Алиберт из Бернского университета. Если бы система была серьезно нарушена в начале своей жизни, например, в результате гигантского удара, эта хрупкая конфигурация орбит не сохранилась бы.

При том ученые отмечают, что хотя сами по себе орбиты расположены аккуратно и упорядоченно, этого нельзя сказать про их плотность. Так, планета с такой же плотностью, как Земля, соседствует с планетой с плотностью вдвое меньшей Нептуна, за которой следует планета с плотностью Нептуна. В нашей Солнечной системе, все устроено совсем иначе, здесь планеты расположены определенном порядке: более плотные скалистые планеты находятся ближе к центральной звезде, а легкие газовые планеты с низкой плотностью - дальше.

«Этот контраст между ритмической гармонией орбитального движения и беспорядочной плотностью, безусловно, бросает вызов нашему пониманию формирования и эволюции планетных систем», - говорит руководитель исследования Адриен Лелеу.

Для исследования этой необычной системы команда ученых использовала данные со спутника CHEOPS Европейского космического агентства, наземного инструмента ESPRESSO на VLT ESO, а также NGTS и SPECULOOS, расположенных в обсерватории ESO Паранал в Чили. Поскольку экзопланеты чрезвычайно сложно обнаружить непосредственно с помощью телескопов, астрономы должны вместо этого полагаться на другие методы для их обнаружения. Основные используемые методы - визуализация транзитов - наблюдение за светом, излучаемым центральной звездой, который тускнеет, когда экзопланета проходит перед ней при наблюдении с Земли, - и лучевые скорости.- наблюдение за световым спектром звезды на предмет небольших признаков колебаний, которые происходят, когда экзопланеты движутся по своим орбитам. Команда использовала оба метода для наблюдения за системой: CHEOPS, NGTS и SPECULOOS для транзитов и ESPRESSO для лучевых скоростей.

Объединив эти два метода, астрономы смогли собрать ключевую информацию о системе и ее планетах, которые вращаются вокруг своей центральной звезды намного ближе и намного быстрее, чем Земля вращается вокруг Солнца. Самая быстрая (самая внутренняя планета) совершает оборот по орбите всего за пару дней, а самая медленная - примерно в десять раз дольше. Шесть планет имеют размеры от одного до трех раз больше Земли, а их масса в 1,5-30 раз больше массы Земли. Некоторые планеты каменистые, но больше Земли - эти планеты известны как Суперземли. Другие представляют собой газовые планеты, как и внешние планеты в нашей Солнечной системе, но они намного меньше - их называют Мини-Нептунами.

Хотя ни одна из шести найденных экзопланет не находится в обитаемой зоне звезды, исследователи предполагают, что, продолжая резонансную цепочку, они могут найти дополнительные планеты, которые могут существовать в этой зоне или очень близко к ней. Чрезвычайно большой телескоп ESO (ELT), который должен начать работать в этом десятилетии, сможет напрямую получать изображения каменистых экзопланет в обитаемой зоне звезды и даже характеризовать их атмосферы, предоставляя возможность подробнее познакомиться с такими системами, как TOI-178.