За допомогою кількох телескопів, зокрема Дуже великого телескопа Європейської південної обсерваторії (Very Large Telescope European Southern Observatory, VLT ESO), астрономи виявили систему, що складається з шести екзопланет. П’ять з них обертаються навколо своєї центральної зорі в рідкісному резонансі. Дослідники вважають, що система може надати важливі підказки про те, як формуються та еволюціонують планети (і в Сонячній системі також).
Коли група науковців уперше спостерігала TOI-178, зорю, яка лежить від Землі на відстані 200 світлових років у напрямку сузір’я Скульптора, то астрономи вирішили: їм вдалося відкрити дві планети, що рухаються навколо зорі по одній орбіті. Однак докладніші спостереження дали змогу виявити щось зовсім інше. «Ми зрозуміли, що є не дві планети, які обертаються навколо зорі приблизно на однаковій відстані від неї, а кілька планет у дуже особливій конфігурації», — сказав Едрієн Льоло (Adrien Leleu) з Женевського та Бернського університетів (Швейцарія), очільник нового дослідження. Його результати оприлюднив журнал Astronomy & Astrophysics.
На цій мапі зоряного неба показано розташування планетарної системи TOI-178 у сузір’ї Скульптора. На мапі позначено більшість зір, видимих неозброєним оком за гарних умов, а розташування системи помічене червоним кружком. Фото з сайту www.eso.org.
Дослідження показало: система містить шість екзопланет і вони всі, крім найближчої до зорі, під час руху по своїх орбітах пов’язані ритмічним «танцем». Іншими словами, вони перебувають в резонансі. Це означає, що існують конфігурації, які повсякчас повторюються, коли планети обходять зорю, причому деякі планети вступають в резонанс через кожні кілька орбіт. Схожий резонанс виявлено для орбіт трьох супутників Юпітера: Іо, Європи та Ганімеда. Іо, найближчий з трьох до Юпітера, виконує чотири повних орбіти навколо планети, натомість найвіддаленіший від Юпітера Ганімед тільки одну. За час, коли Європа робить один оберт навколо планети, Іо встигає двічі обійти Юпітер.
П’ять зовнішніх екзопланет системи TOI-178 мають набагато складніший резонансний цикл, один з найдовших, які коли-небудь виявляли в планетних системах. Якщо три супутники Юпітера перебувають в резонансі 4: 2: 1, то п’ять зовнішніх планет в системі TOI-178 утворюють послідовність резонансів 18: 9: 6: 4: 3. Тобто, наприклад, поки друга планета від зорі (перша в резонансному ланцюгу) виконує 18 орбіт, третя планета від зорі (друга в ланцюзі) — 9 орбіт. Насправді науковці спочатку виявили лише п’ять планет в системі, але, зважаючи на їхній резонансний ритм, обчислили орбіту ще однієї планети, яку знайшли, коли отримали нове «вікно» для спостереження за системою.
Анімація, що показує орбіти та рух планет у системі TOI-178. Ритмічний рух планет навколо центральної зорі представлено через музичну гармонію — кожній з планет в резонансному ланцюзі приписано ноту в пентатонічній шкалі. Ця нота звучить, коли планета виконує або одну повну орбіту, або половину орбіти; коли планети опиняються в цих точках на своїх орбітах, ноти звучать в резонансі. Відео з сайту
https://www.eso.org/public/videos/eso2102b/.
Такий «танець» резонансів планет — це не просто цікавий збіг в орбітах. Він дає підказки про минуле системи. «Орбіти в цій системі дуже добре впорядковані, а це говорить про те, що система від початку свого формування еволюціонувала досить спокійно», — пояснив учасник дослідження Ян Аліберт (Yann Alibert) з Бернського університету. Якби система зазнала суттєвих збурень на ранніх етапах еволюції, наприклад, внаслідок потужного зіткнення, ця «тонка» конфігурація орбіт не збереглась би.
Однак, хоча розміщення орбіт в системі чітко впорядковане, густина планет «набагато безладніша», — зауважив Натан Гара (Nathan Hara) з Женевського університету в Швейцарії, який також брав участь в дослідженні. «Виявляється, така щільна планета, як Земля, існує поруч з планетою наче з пуху, густина якої вдвічі менша густини Нептуна, а за цією слідує планета з щільністю Нептуна. Це не те, до чого ми звикли». Наприклад, в Сонячній системі планети розміщені впорядковано, землеподібні, тобто з більшою густиною речовини, планети лежать ближче до центральної зорі, а газові планети з низьким значенням густини речовини — далі.
«Цей контраст між ритмічною гармонією орбітального руху та безладною щільністю, безумовно, кидає виклик нашому розумінню формування та еволюції планетних систем», — сказав Льоло.
Для вивчення екзопланетної системи незвичної будови, науковці використали дані, отримані за допомогою космічного апарата CHEOPS Європейського космічного агентства, а також приймачів ESPRESSO (він встановлений на VLT ESO) та NGTS і SPECULOOS, які розміщені в обсерваторії Паранал в Чилі. Оскільки екзопланети досі дуже складно спостерігати за допомогою телескопів прямо, астрономи змушені вдаватися до інших методів їх виявлення. Основні серед них: метод транзитів — реєстрація світла центральної зорі, яке згасає, коли екзопланета проходить перед нею при спостереженні з Землі, — і метод променевих швидкостей — виявлення зміщень ліній в спектрі зорі, спричинених її просторовим коливанням відносно спостерігача внаслідок гравітаційної дії екзопланети, що обертається навколо зорі. Наукова група використовувала обидва методи для спостереження за системою: CHEOPS, NGTS та SPECULOOS для транзитів, а ESPRESSO для променевих швидкостей.
Поєднавши два методи, астрономи змогли зібрати основну інформацію про систему та її планети, що обертаються навколо своєї зорі набагато ближче і набагато швидше, ніж Земля навколо Сонця. Найшвидша (найближча до зорі) планета має орбітальний період тривалістю всього кілька земних діб, натомість найповільніша — приблизно в десять разів триваліший. Розміри шести планет становлять приблизно один — три діаметри Землі, водночас їхні маси в 1,5—30 разів перевищують масу Землі. Деякі з планет мають тверді поверхні, але розмірами більші, ніж Земля — такі планети отримали назву надземлі. Інші — це газові планети, як і зовнішні планети в Сонячній системі, але вони набагато менші, тому й отримали назву мінінептуни.
Хоча жодна з шести знайдених екзопланет не лежить в зоні життя зорі, дослідники припускають, що, продовжуючи резонансний ланцюг, вони можуть виявити додаткові планети, які могли б існувати в цій зоні або дуже близько до неї. Надзвичайно великий телескоп (Extremely Large Telescope, ELT) ESO, що має стати до ладу в цьому десятилітті, зможе отримувати прямі зображення землеподібних планет в зоні життя їхніх материнських зір і навіть виявляти параметри атмосфер таких планет. Це дасть змогу вивчити системи, як TOI-178, докладніше.
За інф. з сайту www.eso.org підготував Іван Крячко
