Persbericht

Raadselachtig ritmisch stelsel van zes exoplaneten stelt planeetvormingstheorieën op de proef

25 januari 2021

Met behulp van een combinatie van telescopen, waaronder de Very Large Telescope (VLT) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), hebben astronomen een stelsel van zes exoplaneten ontdekt, waarvan er vijf in een bijzonder ritme om hun moederster cirkelen. De onderzoekers denken dat het stelsel belangrijke aanwijzingen kan verschaffen over de manier waarop planeten, waaronder die in ons eigen zonnestelsel, ontstaan en evolueren.

De eerste keer dat het onderzoeksteam TOI-178 – een ster op ongeveer 200 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Sculptor (Beeldhouwer) –  waarnam, dachten de wetenschappers dat ze twee planeten hadden ontdekt die in dezelfde baan om de ster draaiden. Maar bij nadere inspectie bleek het iets heel anders te zijn. ‘Vervolgwaarnemingen leerden ons dat er niet twee planeten op ongeveer dezelfde afstand om de ster cirkelen, maar dat het om meer planeten in een heel specifieke configuratie gaat’, zegt Adrien Leleu van de Universiteiten van Genève en Bern (Zwitserland), die leiding gaf aan een nieuw onderzoek van het stelsel, waarvan de resultaten vandaag in Astronomy & Astrophysics zijn gepubliceerd.

Het nieuwe onderzoek heeft uitgewezen dat het stelsel zes planeten telt en dat deze, op de binnenste planeet na, zijn verstrikt in een ritmische dans. Met andere woorden: ze zijn in resonantie. Dit betekent dat er telkens terugkerende patronen te zien zijn in de bewegingen van de planeten rond de ster, waarbij sommige planeten om de paar omlopen op één lijn komen te staan. Een vergelijkbare resonantie is waarneembaar bij drie van de manen van de planeet Jupiter: Io, Europa en Ganymedes. De binnenste van de drie voltooit vier volledige omlopen om Jupiter in de tijd dat de buitenste, Ganymedes, er één volbrengt, en twee omlopen in de tijd dat Europa er één voltooit.

De vijf buitenste planeten van het TOI-178-stelsel volgen een veel ingewikkeldere resonantieketen, een van de langste die tot nu toe bij een planetenstelsel zijn ontdekt. Waar de drie Jupitermanen in een resonantie van 4:2:1 verkeren, vormen de vijf buitenste planeten van TOI-178 een keten van 18:9:6:4:3. In de tijd dat de tweede planeet vanaf de ster (de eerste in de resonantieketen) achttien omlopen volbrengt, volbrengt de derde planeet vanaf de ster (tweede in de keten) er negen, enzovoort. Het is zelfs zo dat de wetenschappers aanvankelijk slechts vijf planeten in het stelsel hadden ontdekt, en de zesde planeet pas wisten op te sporen toen ze op basis van dit resonantie-ritme hadden berekend waar deze extra planeet zich tijdens hun volgende waarnemingssessie zou moeten bevinden.

Deze dans van resonerende planeten is meer dan een curiositeit: hij verschaft informatie op het verleden van dit stelsel. ‘De banen van dit stelsel zijn heel netjes geordend, wat ons vertelt dat het stelsel sinds zijn ontstaan in alle rust is geëvolueerd’, zegt medeauteur Yann Alibert van de Universiteit van Bern. Als het stelsel eerder in zijn bestaan duidelijk verstoord zou zijn geweest, bijvoorbeeld door een grote inslag, zou deze kwetsbare configuratie van banen dit niet hebben overleefd.

Wanorde in het ritmische stelsel

Waar de rangschikking van de planeetbanen netjes geordend is, zijn de dichtheden van de planeten ‘veel minder op elkaar afgestemd’, zegt Nathan Hare van de Universiteit van Genève, die ook bij het onderzoek betrokken was. ‘Het lijkt erop dat een planeet met de dichtheid van de aarde wordt gevolgd door een heel ‘donzige’ planeet met de halve dichtheid van Neptunus, en die weer door een planeet met de dichtheid van Neptunus. Dat is niet wat we gewend zijn.’ In ons zonnestelsel bijvoorbeeld zijn de planeten netjes op dichtheid gesorteerd: de rotsachtige dichtere planeten bevinden zich dicht bij de centrale ster (de zon), de gasplaneten met lage dichtheid verder naar buiten.

‘Dit contrast tussen de ritmische harmonie van de baanbewegingen en de wanordelijke dichtheden stelt ons begrip van de vorming en evolutie van planetenstelsels danig op de proef,’ zegt Leleu.

Combinatie van technieken

Bij hun onderzoek van de ongebruikelijke architectuur van dit planetenstelsel heeft het team gebruik gemaakt van gegevens van de CHEOPS-satelliet van het Europese ruimteagentschap ESA, van het ESPRESSO-instrument van ESO’s VLT, en van NGTS en SPECULOOS, die beide op de ESO-sterrenwacht in Chili zijn gestationeerd. Omdat exoplaneten zich maar heel moeilijk rechtstreeks laten waarnemen met telescopen, moeten astronomen andere technieken gebruiken om ze op te sporen. De belangrijkste methoden zijn het vastleggen van planeetovergangen of transits, die ertoe leiden dat het licht van de moederster periodiek zwakker wordt, en het meten van radiale snelheden, die tot uiting komen in kleine variaties in het lichtspectrum van de ster die door de verplaatsing van de planeten in hun omloopbanen worden veroorzaakt. Bij het onderzoek van het TOI-178-stelsel heeft het team beide methoden gebruikt: CHEOPS, NGTS en SPECULOOS voor het waarnemen van transits en ESPRESSO voor het meten van radiale snelheden.

Door deze twee technieken met elkaar te combineren, konden de astronomen belangrijke informatie over het stelsel en zijn planeten, die op veel kleinere afstanden om hun moederster draaien dan de aarde om de zon, te verzamelen. De snelste (en binnenste) planeet doet slechts een paar dagen over een omloop om zijn ster, de traagste ongeveer tien keer zo lang. In afmetingen lopen de zes planeten uiteen van één tot driemaal de aarde, terwijl hun massa’s anderhalve tot dertig aardmassa’s bedragen. Sommige van de planeten zijn rotsachtig, maar groter dan de aarde: zulke planeten worden superaardes genoemd. Andere zijn gasplaneten, zoals de buitenste planeten van ons zonnestelsel, maar dan veel kleiner. Deze worden ook wel mini-Neptunussen genoemd.

Hoewel geen van de zes ontdekte exoplaneten zich binnen de ‘leefbare zone’ van zijn ster bevindt, achten de onderzoekers het mogelijk dat ze, door de resonantieketen door te trekken, nog planeten kunnen opsporen die zich in of nabij deze zone bevinden. ESO’s Extremely Large Telescope (ELT), die in de loop van dit decennium in bedrijf zal komen, zal in staat zijn om rechtstreekse opnamen te maken van rotsachtige planeten in de leefbare zone van een ster, en kan zelfs hun atmosferen onderzoeken. Dat biedt de mogelijkheid om stelsels als TOI-178 nog gedetailleerder te leren kennen.

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178’, dat in Astronomy & Astrophysics verschijnt.
Het onderzoeksteam bestaat uit A. Leleu (Observatoire Astronomique de l’Université de Genève, Zwitserland [UNIGE], Universiteit van Bern, Zwitserland [Bern]), Y. Alibert (Bern), N.C. Hara (UNIGE), M.J. Hooton (Bern), T.G. Wilson (Centre for Exoplanet Science, SUPA School of Physics and Astronomy, Universiteit van St Andrews, VK [St Andrews]), P. Robutel (IMCCE, UMR8028 CNRS, Sterrenwacht van Parijs, Frankrijk [IMCCE]), J.-B Delisle (UNIGE), J. Laskar (IMCCE), S. Hoyer (Aix Marseille Univ, CNRS, CNES, LAM, Frankrijk [AMU]), C. Lovis (UNIGE), E.M. Bryant (Department of Physics, Universiteit van Warwick, VK [Warwick], Centre for Exoplanets and Habitability, Universiteit van Warwick [CEH]), E. Ducrot (Astrobiology Research Unit, Universiteit van Luik [Luik]), J. Cabrera (Institute of Planetary Research, German Aerospace Center (DLR), Berlijn, Duitsland [Institute of Planetary Research, DLR]), J. Acton (School of Physics and Astronomy, Universiteit van Leicester, VK [Leicester]), V. Adibekyan (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto, Portugal [IA], Centro de Astrofísica da Universidade do Porto, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto [CAUP]), R. Allart (UNIGE), C, Allende Prieto (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife [IAC], Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife [ULL]), R. Alonso (IAC, ULL), D. Alves (Camino El Observatorio 1515, Las Condes, Santiago, Chili), D.R Anderson (Warwick, CEH), D. Angerhausen (ETH Zürich, Institute for Particle Physics and Astrophysics), G. Anglada Escudé (Institut de Ciències de l’Espai [ICE, CSIC], Bellaterra, Spanje, Institut d’Estudis Espacials de Catalunya [IEEC], Barcelona, Spanje), J. Asquier (ESTEC, ESA, Noordwijk [ESTEC]), D. Barrado (Depto. de Astrofísica, Centro de Astrobiologia [CSIC-INTA], Madrid, Spanje), S.C.C Barros (IA, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto, Portugal), W. Baumjohann (Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences, Oostenrijk), D. Bayliss (Warwick, CEH), M. Beck (UNIGE), T. Beck (Bern) A. Bekkelien (UNIGE), W. Benz (Bern, Center for Space and Habitability, Bern, Zwitserland [CSH]), N. Billot (UNIGE), A. Bonfanti (IWF), X. Bonfils (Université Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Frankrijk), F. Bouchy (UNIGE), V. Bourrier (UNIGE), G. Boué (IMCCE), A. Brandeker (Department of Astronomy, Stockholm University, Zweden), C. Broeg (Bern), M. Buder (Institute of Optical Sensor Systems, German Aerospace Center (DLR) [Institute of Optical Sensor Systems, DLR]), A. Burdanov (Luik, Department of Earth, Atmospheric and Planetary Science, Massachusetts Institute of Technology, USA), M.R. Burleigh (Leicester), T. Bárczy (Admatis, Miskok, Hungary), A.C. Cameron (St Andrews), S. Chamberlain (Leicester), S. Charnoz (Universiteit van Parijs, Institut de physique du globe de Parijs, CNRS, Frankrijk), B.F. Cooke (Warwick, CEH), C. Corral Van Damme (ESTEC), A.C. M. Correia (CFisUC, Department of Physics, Universiteit van Coimbra, Portugal, IMCCE, UMR8028 CNRS, Sterrenwacht van Parijs, Frankrijk), S. Cristiani (INAF - Osservatorio Astronomico di Trieste, Italië [INAF Trieste]), M. Damasso (INAF - Osservatorio Astrofisico di Torino, Italië [INAF Torino]), M.B. Davies (Lund Observatory, Dept. of Astronomy and Theoretical Physics, Lund University, Zweden), M. Deluil (AMU), L. Delrez (AMU, Space sciences, Technologies and Astrophysics Research [STAR] Institute, Universiteit van Luik, UNIGE), O.D.S. Demangeon (IA), B.-O. Demory (CSH), P. Di Marcantonio (INAF Trieste), G. Di. Persio (INAF, Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali, Rome, Italië), X. Dumusque (UNIGE), D. Ehrenreich (UNIGE), A. Erikson (Institute of Planetary Research, DLR), P. Figueira (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade do Porto, ESO Vitacura), A. Fortier (Bern, CSH), L. Fossato (Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences, Graz, Oostenrijk [IWF]), M. Fridlund (Leiden Observatory, Universiteit van Leiden, Department of Space, Earth and Environment, Chalmers Universiteit van Technology, Onsala Space Observatory, Zweden [Chalmers]), D. Futyan (UNIGE), D. Gandolfi (Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Torino, Italië), A. García Muñoz (Center for Astronomy and Astrophysics, Technische Universiteit Berlijn, Duitsland), L. Garcia (Luik), S. Gill (Warwick, CEH), E. Gillen (Astronomy Unit, Queen Mary Universiteit, Londen, UK, Cavendish Laboratory, Cambridge, VK [Cavendish Laboratory]), M. Gillon (Luik), M.R. Goad (Leicester), J.I. González Hernández (IAC, ULL), M. Guedel (Universiteit van Wenen, Department of Astrophysics, Oostenrijk), M.N. Günther (Department of Physics and Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, USA), J. Haldemann (Bern), B. Henderson (Leicester), K. Heng (CSH), A.E. Hogan (Leicester), E. Jehin (STAR), J.S. Jenkins (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chili; Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA), Santiago, Chili), A. Jordán (Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Adolfo Ibáñez, Santiago, Chili; Millennium Institute for Astrophysics, Chili), L. Kiss (Konkoly Observatory, Research Centre for Astronomy and Earth Sciences, Boedapest, Hongarije), M.H. Kristiansen (Brorfelde Observatory, Observator Gyldenkernes, Denemarken, DTU Space, National Space Institute, Technische Universiteit van Denemarken), K. Lam (Institute of Planetary Research, DLR), B. Lavie (UNIGE), A. Lecavelier des Etangs (Institut d’astrophysique de Parijs, UMR7095 CNRS, Université Pierre & Marie Curie, Parijs, Frankrijk), M. Lendil (UNIGE), J. Lillo-Box (Depto. de Astrofísica, Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA),ESAC campus, Madrid, Spanje), G. Lo Curto (ESO Vitacura), D. Magrin (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italië [INAF Padova]), C.J.A.P. Martins (IA, CAUP), P.F.L. Maxted (Astrophysics Group, Keele University, VK), J. McCormac (Warwick), A. Mehner (ESO Vitacura), G. Micela (INAF - Osservatorio Astronomico di Palermo, Italië), P. Molaro (INAF Trieste, IFPU Trieste), M. Moyano (Instituto de Astronomía, Universidad Católica del Norte, Antofagasta, Chili), C.A. Murray (Cavendish Laboratory), V. Nascimbeni (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italië), N.J. Nunes (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Portugal), G. Olofsson (Department of Astronomy, Stockholm University, Zweden), H.P. Osborn (CSH, Department of Physics en Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, USA), M. Oshagh (IAC, ULL), R. Ottensamer (Department of Astrophysics, Universiteit van Wenen, Oostenrijk), I. Pagano (INAF, Osservatorio Astrofisico di Catania, Italië), E. Pallé (IAC, ULL), P.P. Pedersen (Cavendish Laboratory), F.A. Pepe (UNIGE), C.M. Persson (Chalmers), G. Peter (Institute of Optical Sensor Systems, German Aerospace Center (DLR), Berlijn, Duitsland), G. Piotto (INAF Padova, Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei", Università degli Studi di Padova, Italië), G. Polenta (Space Science Data Center, Roma, Italië), D. Pollacco (Warwick), E. Poretti (Fundación G. Galilei – INAF (Telescopio Nazionale Galileo), La Palma, Spanje, INAF - Osservatorio Astronomico di Brera, Merate, Italië), F.J. Pozuelos (Luik, STAR), F. Pozuelos (Luik, STAR), D. Queloz (UNIGE, Cavendish Laboratory), R. Ragazzoni (INAF Padova), N. Rando (ESTEC), F. Ratti (ESTEC), H. Rauer (Institute of Planetary Research, DLR), L. Raynard (Leicester), R. Rebolo (IAC, ULL), C. Reimers (Department of Astrophysics, Universiteit van Wenen, Oostenrijk), I. Ribas (Institut de Ciències de l’Espai (ICE, CSIC), Spanje, Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), Barcelona, Spanje), N.C. Santos (IA, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto, Portugal), G. Scandariato (INAF, Osservatorio Astrofisico di Catania, Italië), J. Schneider (Sterrenwacht van Parijs, Frankrijk), D. Sebastian (School of Physics Astronomy, Universiteit van Birmingham, VK [Birmingham]), M. Sestovic (CSH), A.E. Simon (Bern), A.M.S. Smith (Institute of Planetary Research, DLR), S.G. SoUSA (IA), A. Sozzetti (INAF Torino), M. Steller (IWF), A. Suárez Mascareño (IAC, ULL), G.M. Szabó (ELTE Eötvös Loránd University, Gothard Astrophysical Observatory, Hongarije, MTA-ELTE Exoplanet Research Group, Hongarije), D Ségransan (UNIGE), N. Thomas (Bern), S. Thompson (Cavendish Laboratory), R.H. Tilbrook (Leicester), A. Triaud (Birmingham), S. Udry (UNIGE), V. Van Grootel (STAR), H. Venus (Institute of Optical Sensor Systems, DLR), F. Verrecchia (Space Science Data Center, ASI, Roma, Italië, INAF, Osservatorio Astronomico di Roma, Italië), J.I. Vines (Camino El Observatorio 1515, Santiago, Chili), N.A. Walton (Institute of Astronomy, Universiteit van Cambridge, VK), R.G. West (Warwick, CEH), P.K. Wheatley (Warwick, CEH), D. Wolter (Institute of Planetary Research, DLR), M.R. Zapatero Osorio (Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), Madrid, Spanje).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en verreweg de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili, met Australië als strategische partner. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT) en haar toonaangevende Very Large Telescope Interferometer, evenals twee surveytelescopen – VISTA, die in het infrarood werkt, en de op zichtbare golflengten opererende VLT Survey Telescope. Ook op Paranal zal ESO onderkomen bieden aan en het beheer voeren over de Cherenkov Telescope Array South, ’s werelds grootste en meest gevoelige observatorium van gammastraling. ESO speelt tevens een belangrijke partnerrol bij twee faciliteiten op Chajnantor, APEX en ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Extremely Large Telescope, de ELT, die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

• Onderzoeksartikel
• Foto’s van de VLT
• Voor wetenschappers: heb je een verhaal? Promoot je onderzoek

Contact

Adrien Leleu
Université de Genève
Geneva, Switzerland
E-mail: Adrien.Leleu@unige.ch

Yann Alibert
University of Bern
Bern, Switzerland
Tel: +41 31 631 55 47
E-mail: yann.alibert@space.unibe.ch

Nathan Hara
Université de Genève
Geneva, Switzerland
Tel: +41 22 379 24 14
E-mail: nathan.hara@unige.ch

Bárbara Ferreira
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6670
Mobiel: +49 151 241 664 00
E-mail: press@eso.org

Marieke Baan (Perscontact Nederland)
ESO Science Outreach Network en NOVA Informatie Centrum
Tel: +31(0)20-5257480
E-mail: eson-netherlands@eso.org

Connect with ESO on social media