Pressmeddelande

Exoplanetsystem med sex planeter i rytmisk dans utmanar teorierna för planetbildning

25 januari 2021, Skurup

Med hjälp av en kombination av teleskop, inklusive Very Large Telescope (VLT) vid Europeiska sydobservatoriet (ESO), har astronomer avslöjat ett system med sex exoplaneter, varav fem är låsta i rytmisk dans kring sin moderstjärna. Forskarna tror att systemet kan ge viktiga ledtrådar till hur planeter, inklusive de i vårt eget solsystem, bildas och utvecklas.

Första gången som forskarlaget observerade TOI-178, en stjärna på 200 ljusårs avstånd i Bildhuggarens stjärnbild, trodde de att de hade upptäckt två planeter som kretsade i samma bana. Men en närmare titta på datan avslöjade något helt annat. 

 

“Genom ytterligare observationer insåg vi att det inte var fråga om två planeter på samma avstånd från stjärnan, utan ett flertal planeter ordnade på ett mycket speciellt sätt” säger Adrien Leleu från Genèves universitet och Berns universitet i Schweiz, som ledde studien av exoplanetsystemet som publiceras i dag i tidskriften Astronomy & Astrophysics.

 

Systemet visade sig bestå av sex exoplaneter där alla utom den innersta är låsta i en rytmisk dans i sin rörelse kring moderstjärnan, en så kallad resonans. Det innebär att deras rörelsemönster upprepar sig med regelbundna intervall. En liknande resonans finns hos tre av Jupiters största satelliter: Io, Europa och Ganymedes. På samma tid som Io fullbordar fyra varv runt Jupiter, gör Europa två varv och Ganymedes ett. Dessa satelliter befinner sig alltså i en 4:2:1-resonans.

 

De fem yttre exoplaneterna i TOI-178-systemet är länkade i en betydligt mer komplex resonanskedja, en av de längsta som hittills upptäckts i något planetsystem. De fem yttre planeterna detta system följer en 18:9:6:4:3-resonans. När den innersta av dessa planeter (den andra från stjärnan) fullbordar 18 varv, gör nästa (den tredje från stjärnan) 9 varv och så vidare. Faktum är att astronomerna först bara kunde se fem planeter i hela systemet, men då de insåg att de var bundna i resonans med varandra kunde de dra slutsatsen att det måste finnas ytterligare en planet. Denna upptäcktes också när astronomerna observerade vid nästa tillfälle, eftersom de visste var i sin bana den skulle befinna sig.

 

Det speciella arrangemanget av planetbanor avslöjar något viktigt om systemets historia. “Banorna i detta system är exceptionellt välordnade, vilket innebär att det måste ha utvecklats i frånvaro av störningar sedan det bildades”, förklarar medförfattaren Yann Albert vid Berns universitet. Om systemet hade störts kraftigt efter bildningen skulle denna mycket bräckliga ordning inte ha överlevt.

 

Oordning i ett rytmiskt system

 

Men även om banorna är mycket välordnade, så är planeternas densiteter “betydligt mer oordnade” säger Nathan Hara vid Genèves universitet, en av deltagarna i studien. “Det verkar som att en planet med jordens densitet är belägen närmast en mycket mindre tät planet, med en densitet som är hälften av Neptunus, och att denna i sin tur följs av en planet med Neptunus densitet. Detta är något som vi inte har sett tidigare.” I vårt solsystem, till exempel, är de fyra inre planeterna steniga och täta, medan de yttre planeterna alla är gasrika och har låg täthet.

 

“Kontrasten mellan den rytmiska harmonin i planeternas banor kontrasterar starkt mot deras oordnade densiteter vilket utmanar våra teorier om planetsystems bildning och utveckling” menar Leleu.

En kombination av tekniker

För att undersöka systemets märkliga uppbyggnad använde forskarlaget data från Europeiska rymdorganet ESA:s CHEOPS-satellit, liksom data från tre markbaserade teleskop på ESO:s Paranalobservatorium i Chile: VLT, NGTS och SPECULOOS. Eftersom exoplaneter är extremt svåra att avbilda direkt med teleskop måste astronomerna utnyttja andra metoder för att detektera dem. De två viktigaste är transitmetoden och radialhastighetsmetoden. I den första studeras moderstjärnans ljusstyrka medan den tillfälligt blir svagare då planeten passerar över dess yta sett från jorden. I det andra fallet studeras moderstjärnans spektrum för att mäta små variationer i dess rörelse fram och tillbaka i siktlinjen mot jorden, som uppstår när exoplaneterna rör sig kring stjärnan. CHEOPS, NGTS och SPECULOOS utnyttjade transitmetoden och ESPRESSO-instrumentet på ESO:s VLT utnyttjade radialhastighetsmetoden.

 

Genom att kombinera dessa två tekniker kunde astronomerna samla information om systemet, vars planeter samtliga kretsar mycket närmare sin moderstjärna än solsystemets innersta planet Merkurius gör runt solen. Den innersta exoplanetens omloppstid är endast 2 dygn, medan den yttersta gör ett varv på cirka 21 dygn. De sex planeternas storlekar varierar mellan en och tre gånger jordens, medan deras massor varierar mellan 1,5 och 8 gånger jordens. Vissa planeter är steniga, men större än jorden – så kallade superjordar. Andra är gasplaneter, likt de yttre planeterna i solsystemet, men de är mycket mindre – så kallade mini-Neptunusar.

 

Även om ingen av de sex exoplaneterna befinner sig i den beboeliga zonen kring stjärnan tror forskarna att de kan hitta ytterligare planeter i, eller nära, denna zon. ESO:s Extremely Large Telescope (ELT), som står klart om några år, kommer att kunna direktavbilda steniga exoplaneter i den beboeliga zonen kring andra stjärnor, vilket kommer att ge möjlighet att lära känna system som TOI-178 betydligt bättre.

 

Fem svenska astronomer i forskarlaget

Det svenska forskningsbidraget i denna studie har varit betydande, med deltagande av Malcolm Fridlund och Carina Persson vid Chalmers tekniska högskola, Göteborg, Alexis Brandeker och Göran Olofsson vid Stockholms observatorium och Melvyn Davies vid Lunds observatorium.

 

Carina Persson ledde arbetet med att bestämma stjärnans egenskaper från spektroskopiska observationer, ett kritiskt steg för att nå kunskap om dess system med exoplaneter. “För stjärnanalysen använde vi data från ESPRESSO, ett av de nya instrumenten med hög spektral upplösning på ESO:s Very Large Telescope. Stjärnanalysen var något av en utmaning eftersom stjärnan är mycket mindre och svalare än solen” säger hon. “För att en planet ska befinna sig i den beboeliga zonen där flytande vatten kan finnas på ytan, måste omloppstiden i detta system vara minst 40 dagar. Att planeterna har banor så extremt nära sin stjärna innebär att eventuellt vatten på deras ytor kokar bort, trots att stjärnan är svalare än solen”.

 

Alexis Brandeker förklarar hur man kom de individuella exoplaneterna i systemet på spåren: “Sedan tidigare kände vi tre planetkandidater (med beteckningarna d, e och g). Dessa bekräftades av CHEOPS, som också upptäckte ytterligare två (b och c). Från planeternas omloppstider gick det teoretiskt att förutsäga att det borde finnas ytterligare en planet (f) mellan e och g. Med hjälp av en noggrann förutsägelse av passagetiden kunde CHEOPS observera även den planeten. Det känns alltid tillfredsställande när en avgörande observation kan bekräfta en klar förutsägelse på det här viset!” 

 

Han fortsätter: “Ju mer vi lär oss om exoplanetsystem, desto mer lär vi oss om hur variationsrika de är. System med planeter vars egenskaper skiljer sig markant från varandra har vi sett runt vår egen och andra stjärnor. Och system där planeter låst sig i nära resonans med varandra har vi också sett. Men en sådan variationsrikedom bland planeter i resonans med varandra som vi ser i TOI-178 är helt oväntat och kommer att vara en utmaning för nuvarande planetbildningsteorier att förklara.”

 

Uppdatering (4 februari 2021): I en tidigare version av detta pressmeddelande nämndes felaktigt att massorna för planmeterna i systemet varierade mellan 1,5 och 30 jordmassor. De korrekta siffrorna är mellan 1,5 och 8 solmassor.

Mer information

Denna forskning presenteras i artikeln “Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178” i tidskriften Astronomy & Astrophysics (doi: 10.1051/0004-6361/202039767).

 

Forskarlaget utgörs av A. Leleu (Observatoire Astronomique de l’Université de Genève, Switzerland [UNIGE], University of Bern, Switzerland [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, University of St Andrews, UK [St Andrews]), P. Robutel (IMCCE, UMR8028 CNRS, Observatoire de Paris, France [IMCCE]), J.-B Delisle (UNIGE), J. Laskar (IMCCE), S. Hoyer (Aix Marseille Univ, CNRS, CNES, LAM, France [AMU]), C. Lovis (UNIGE), E. M. Bryant (Department of Physics, University of Warwick, UK [Warwick], Centre for Exoplanets and Habitability, University of Warwick [CEH]), E. Ducrot (Astrobiology Research Unit, Université de Liège, Belgium [Liège]), J. Cabrera (Institute of Planetary Research, German Aerospace Center (DLR), Berlin, Germany [Institute of Planetary Research, DLR]), J. Acton (School of Physics and Astronomy, University of Leicester, UK [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, Chile), 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, Spain, Institut d’Estudis Espacials de Catalunya [IEEC], Barcelona, Spain), J. Asquier (ESTEC, ESA, Noordwijk, the Netherlands [ESTEC]), D. Barrado (Depto. de Astrofísica, Centro de Astrobiologia [CSIC-INTA], Madrid, Spain), S.C.C Barros (IA, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto), W. Baumjohann (Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences, Austria), D. Bayliss (Warwick, CEH), M. Beck (UNIGE), T. Beck (Bern) A. Bekkelien (UNIGE), W. Benz (Bern, Center for Space and Habitability, Bern, Switzerland [CSH]), N. Billot (UNIGE), A. Bonfanti (IWF), X. Bonfils (Université Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, France), F. Bouchy (UNIGE), V. Bourrier (UNIGE), G. Boué (IMCCE), A. Brandeker (Department of Astronomy, Stockholm University, Sweden), C. Broeg (Bern), M. Buder (Institute of Optical Sensor Systems, German Aerospace Center (DLR) [Institute of Optical Sensor Systems, DLR]), A. Burdanov (Liège, 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 (Université de Paris, Institut de physique du globe de Paris, CNRS, France), B. F. Cooke (Warwick, CEH), C. Corral Van Damme (ESTEC), A. C. M. Correia (CFisUC, Department of Physics, University of Coimbra, Portugal, IMCCE, UMR8028 CNRS, Observatoire de Paris, France), S. Cristiani (INAF - Osservatorio Astronomico di Trieste, Italy [INAF Trieste]), M. Damasso (INAF - Osservatorio Astrofisico di Torino, Italy [INAF Torino]), M. B. Davies (Lund Observatory, Dept. of Astronomy and Theoretical Physics, Lund University, Sweden), M. Deluil (AMU), L. Delrez (AMU, Space sciences, Technologies and Astrophysics Research [STAR] Institute, Université de Liège, Belgium, 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, Roma, Italy), 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, Austria [IWF]), M. Fridlund (Leiden Observatory, University of Leiden, The Netherlands, Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Sweden [Chalmers]), D. Futyan (UNIGE), D. Gandolfi (Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Torino, Italy), A. García Muñoz (Center for Astronomy and Astrophysics, Technical University Berlin, Germany), L. Garcia (Liège), S. Gill (Warwick, CEH), E. Gillen (Astronomy Unit, Queen Mary University of London, UK, Cavendish Laboratory, Cambridge, UK [Cavendish Laboratory]), M. Gillon (Liège), M. R. Goad (Leicester), J. I. González Hernández (IAC, ULL), M. Guedel (University of Vienna, Department of Astrophysics, Austria), 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, Chile, Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA), Santiago, Chile), A. Jordán (Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Adolfo Ibáñez, Santiago, Chile, Millennium Institute for Astrophysics, Chile), L. Kiss (Konkoly Observatory, Research Centre for Astronomy and Earth Sciences, Budapest, Hungary), M. H. Kristiansen (Brorfelde Observatory, Observator Gyldenkernes, Denmark, DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, Denmark), K. Lam (Institute of Planetary Research, DLR), B. Lavie (UNIGE), A. Lecavelier des Etangs (Institut d’astrophysique de Paris, UMR7095 CNRS, Université Pierre & Marie Curie, Paris, France), M. Lendil (UNIGE), J. Lillo-Box (Depto. de Astrofísica, Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA),ESAC campus, Madrid, Spain), G. Lo Curto (ESO Vitacura), D. Magrin (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italy [INAF Padova]), C. J. A. P. Martins (IA, CAUP), P. F. L. Maxted (Astrophysics Group, Keele University, UK), J. McCormac (Warwick), A. Mehner (ESO Vitacura), G. Micela (INAF - Osservatorio Astronomico di Palermo, Italy), P. Molaro (INAF Trieste, IFPU Trieste), M. Moyano (Instituto de Astronomía, Universidad Católica del Norte, Antofagasta, Chile), C. A. Murray (Cavendish Laboratory), V. Nascimbeni (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Italy), 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, Sweden), H. P. Osborn (CSH, Department of Physics and Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, USA), M. Oshagh (IAC, ULL), R. Ottensamer (Department of Astrophysics, University of Vienna, Austria), I. Pagano (INAF, Osservatorio Astrofisico di Catania, Italy), 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), Berlin, Germany), G. Piotto (INAF Padova, Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei", Università degli Studi di Padova, Italy), G. Polenta (Space Science Data Center, Roma, Italy), D. Pollacco (Warwick), E. Poretti (Fundación G. Galilei – INAF (Telescopio Nazionale Galileo), La Palma, Spain, INAF - Osservatorio Astronomico di Brera, Merate, Italy), F. J. Pozuelos (Liège, STAR), F. Pozuelos (Liège, 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, University of Vienna, Austria), I. Ribas (Institut de Ciències de l’Espai (ICE, CSIC), Spain, Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), Barcelona, Spain), N. C. Santos (IA, Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto), G. Scandariato (INAF, Osservatorio Astrofisico di Catania, Italy), J. Schneider (Paris Observatory, France), D. Sebastian (School of Physics Astronomy, University of Birmingham, UK [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, Hungary, MTA-ELTE Exoplanet Research Group, Hungary), 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, Italy, INAF, Osservatorio Astronomico di Roma, Italy), J. I. Vines (Camino El Observatorio 1515, Santiago, Chile), N. A. Walton (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK), 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, Spain).

 

ESO är Europas främsta mellanstatliga samarbetsorgan för astronomisk forskning och med råge världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det har 16 medlemsländer: Belgien, Danmark, Finland, Frankrike, Irland, Italien, Nederländerna, Polen, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och två kartläggningsteleskop. VISTA arbetar i infrarött ljus och är världens största kartläggningsteleskop och VST (VLT Survey Telescope) är det största teleskopet som konstruerats enbart för att kartlägga himlavalvet i synligt ljus. ESO är en huvudpartner i ALMA, världens hittills största astronomiska projekt. Och på Cerro Armazones, nära Paranal, bygger ESO det extremt stora 39-metersteleskopet för synligt och infrarött ljus, ELT. Det kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.

Länkar

• Forskningsartikel

• Foton på VLT

• För forskare: Berätta om din forskning!

Kontakter

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

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

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

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

Johan Warell (Presskontakt för Sverige)
ESO:s nätverk för vetenskaplig kommunikation
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
E-post: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media

Detta är den översatta versionen av ESO:s pressmeddelande eso2102 som har tagits fram inom ESON, ett nätverk av medarbetare i ESO:s medlemsländer. ESON-representanterna fungerar som lokala kontaktpersoner för media i samband med ESO:s pressmeddelanden och andra händelser. ESON:s kontaktperson i Sverige är Johan Warell.