W ramach międzynarodowej współpracy astronomów korzystających z satelitów kosmicznych CHEOPS i TESS, w tym członków NCCR PlanetS z Uniwersytetu w Bernie i Uniwersytetu Genewskiego, odkryto nowy, kluczowy układ sześciu tranzytujących planet krążących wokół jasnej gwiazdy w harmonijnym rytmie. Ta rzadka właściwość umożliwiła zespołowi określenie orbit planet, co początkowo wydawało się nierozwiązywalną zagadką.
CHEOPS to wspólna misja ESA i Szwajcarii pod przewodnictwem Uniwersytetu w Bernie we współpracy z Uniwersytetem Genewskim. Dzięki współpracy z naukowcami pracującymi z danymi z należącego do NASA satelity TESS, międzynarodowemu zespołowi udało się odkryć układ planetarny krążący wokół pobliskiej gwiazdy HD110067. Bardzo charakterystyczną cechą tego układu jest jego łańcuch rezonansów: planety krążą wokół swojej gwiazdy macierzystej w doskonałej harmonii. Częścią zespołu badawczego są naukowcy z Uniwersytetu w Bernie i Uniwersytetu Genewskiego, którzy są także członkami Krajowego Centrum Kompetencji w dziedzinie Badań (NCCR) PlanetS. Wyniki właśnie opublikowano w czasopiśmie Nature.
Planety w układzie HD110067 krążą wokół gwiazdy w bardzo precyzyjnym walcu. Kiedy najbliższa gwiazdy planeta wykonuje wokół siebie trzy pełne obroty, druga wykonuje w tym samym czasie dokładnie dwa pełne obroty. Nazywa się to rezonansem 3:2. „Wśród ponad 5000 egzoplanet odkrytych krążących wokół gwiazd innych niż nasze Słońce, rezonanse nie są rzadkie, podobnie jak układy z kilkoma planetami. Jednak niezwykle rzadko zdarza się znaleźć układy, w których rezonanse obejmują tak długi łańcuch sześciu planet” – zauważa Dr Hugh Osborn, stypendysta CHEOPS na Uniwersytecie w Bernie, lider programu obserwacyjnego CHEOPS biorącego udział w badaniu i współautor publikacji. Dokładnie tak jest w przypadku HD110067, którego planety tworzą tak zwany „łańcuch rezonansowy” w kolejnych parach rezonansów 3:2, 3:2, 3:2, 4:3 i 4:3, w wyniku czego najbliższa planeta uzupełnia sześć orbit, podczas gdy najbardziej zewnętrzna planeta wykonuje jedną.
Z pozoru nierozwiązywalna zagadka
Chociaż początkowo dzięki ich tranzytom odkryto wiele planet, dokładne rozmieszczenie planet było początkowo niejasne. Jednak precyzyjny taniec grawitacyjny umożliwił zespołowi naukowców rozwiązanie zagadki HD110067. Prof. Adrien Leleu z Uniwersytetu Genewskiego, odpowiedzialny za analizę rezonansów orbit i współautor badania, wyjaśnia: „Tranzyt ma miejsce, gdy z naszego punktu widzenia planeta przechodzi przed swoją gwiazdą macierzystą, blokując niewielki ułamek światła gwiazd, powodując widoczny spadek jego jasności.” Na podstawie pierwszych obserwacji przeprowadzonych przez należącego do NASA satelitę TESS można było ustalić, że okresy orbity dwóch planet wewnętrznych, zwanych „b” i „c”, wynoszą odpowiednio 9 i 14 dni. Nie można było jednak wyciągnąć żadnych wniosków w przypadku pozostałych czterech wykrytych planet, ponieważ tranzyt dwóch zaobserwowano raz w 2020 r. i raz w 2022 r. z dużą dwuletnią luką w danych, a pozostałe dwie tranzytowały tylko raz w 2022 r.
Dzięki obserwacjom za pomocą teleskopu kosmicznego CHEOPS w końcu zaczęło pojawiać się rozwiązanie zagadki dotyczącej tych czterech dodatkowych planet. Podczas gdy TESS ma na celu skanowanie całego nieba krok po kroku w celu znalezienia egzoplanet krótkookresowych, CHEOPS to misja ukierunkowana, skupiająca się na pojedynczej gwieździe z niezwykłą precyzją. „Nasze obserwacje CHEOPS pozwoliły nam ustalić, że okres planety „d” wynosi 20,5 dnia. Wykluczyło to również wiele możliwości w przypadku pozostałych trzech planet zewnętrznych, „e”, „f” i „g”” – ujawnia Osborn.
Przewidywanie dokładnego walca planet
Wtedy właśnie zespół zdał sobie sprawę, że trzy wewnętrzne planety HD110067 tańczą w precyzyjnym łańcuchu rezonansów 3:2, 3:2: kiedy najbardziej wewnętrzna planeta obraca się wokół gwiazdy dziewięć razy, druga sześć razy, a trzecia cztery razy. czasy.
Następnie zespół rozważył możliwość, że trzy inne planety również mogą być częścią łańcucha rezonansów. „Doprowadziło to do dziesiątek możliwości określenia ich okresu orbitalnego” – wyjaśnia Leleu, „ale łącząc istniejące dane obserwacyjne z TESS i CHEOPS z naszym modelem oddziaływań grawitacyjnych między planetami, mogliśmy wykluczyć wszystkie rozwiązania oprócz jednego: 3:2 , 3:2, 3:2, 4:3, 4:3 łańcuch.” Naukowcy mogli zatem przewidzieć, że trzy zewnętrzne planety („e”, „f” i „g”) mają okresy orbitalne wynoszące 31, 41 dni i 55 dni.
To przewidywanie pozwoliło zaplanować obserwacje za pomocą różnych teleskopów naziemnych. Zaobserwowano dalsze tranzyty planety „f”, ujawniając, że znajdowało się dokładnie tam, gdzie przewidywała to teoria na podstawie łańcucha rezonansowego. Wreszcie, ponowna analiza danych z TESS ujawniła dwa ukryte tranzyty, po jednym dla każdej z planet „f” i „g”, dokładnie w terminach oczekiwanych w przewidywaniach, potwierdzając okresy sześciu planet. Dodatkowe obserwacje CHEOPS każdej planety, a w szczególności planety „e”, zaplanowane są w najbliższej przyszłości.
Kluczowy system na przyszłość
Spośród kilku znalezionych do tej pory układów łańcuchów rezonansowych projekt CHEOPS w dużym stopniu przyczynił się do zrozumienia nie tylko HD110067, ale także TOI-178. Innym dobrze znanym przykładem układu łańcuchów rezonansowych jest układ TRAPPIST-1, w którym znajduje się siedem planet skalistych. Jednakże TRAPPIST-1 jest małą i niewiarygodnie słabą gwiazdą, co bardzo utrudnia jakiekolwiek dodatkowe obserwacje. Z drugiej strony HD110067 jest ponad 50 razy jaśniejszy niż TRAPPIST-1.
„Kluczowy jest fakt, że planety w układzie HD110067 zostały wykryte metodą tranzytu. Kiedy przechodzą one przed gwiazdą, światło przenika również przez atmosfery planet” – zauważa Jo Ann Egger, doktorantka na Uniwersytecie w Bernie , który obliczył skład planet na podstawie danych CHEOPS i współautor badania. Ta właściwość pozwala astronomom określić skład chemiczny i inne właściwości atmosfer. Ponieważ wymagana jest duża ilość światła, jasna gwiazda HD110067 i jej orbitujące planety są idealnym celem do dalszych badań mających na celu scharakteryzowanie atmosfer planet. „Planety pod Neptunem w układzie HD110067 wydają się mieć niskie masy, co sugeruje, że mogą być bogate w gaz lub wodę. Przyszłe obserwacje atmosfer tych planet, na przykład za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), mogą określić, czy planety mają skaliste lub bogate w wodę struktury wewnętrzne” – podsumowuje Egger.