Открытие все большего числа планетных систем, не похожих на нашу Солнечную систему, продолжает улучшать наше понимание того, как планеты образуются и развиваются. Ярким примером является планетная система TOI-178, находящаяся на расстоянии около 200 световых лет в созвездии Скульптора.
Астрономы уже ожидали, что эта звезда будет содержать две или более экзопланет после наблюдений за ней с помощью спутника NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Новые высокоточные наблюдения с помощью спутника Хеопса Европейского космического агентства (ЕКА), который был запущен в 2019 году, теперь показывают, что TOI-178 укрывает по крайней мере шесть планет и что эта зарубежная солнечная система имеет очень уникальную структуру. Команда под руководством Адриена Лелеу из Женевского университета и Университета Берна в Швейцарии, опубликовала свои результаты в журнале .
Одна из особых характеристик системы TOI-178, которую ученые смогли раскрыть с помощью Хеопса, заключается в том, что планеты, за исключением ближайшей к звезде, следуют ритмическому танцу при движении по своим орбитам. Это явление называется орбитальным резонансом, и это означает, что есть закономерности, которые повторяются по мере того, как планеты движутся вокруг звезды, при этом некоторые планеты выравнивают каждые несколько орбит.
Аналогичный резонанс наблюдается на орбитах трех спутников Юпитера: Ио, Европы и Ганимеда. Для каждой орбиты Европы Ганимед совершает две орбиты, а Ио — четыре (это модель 4: 2: 1).
В системе TOI-178 резонансное движение намного сложнее, поскольку в нем участвуют пять планет по схеме 18: 9: 6: 4: 3. В то время как вторая планета от звезды (первая в схеме) совершает 18 оборотов, третья планета от звезды (вторая в схеме) совершает девять оборотов и так далее.
Первоначально ученые обнаружили только четыре планеты в резонансе, но, следуя схеме, ученые вычислили, что в системе должна быть еще одна планета (четвертая, следующая схеме, пятая планета от звезды).
«Мы очень точно предсказали ее траекторию, предположив, что она находится в резонансе с другими планетами«, — объясняет Адриан. Дополнительное наблюдение Хеопса подтвердило, что пропавшая планета действительно существовала на предсказанной орбите.
После того как они обнаружили редкое орбитальное расположение, ученым было любопытно посмотреть, соответствуют ли плотности (размер и масса) планеты также упорядоченному образцу. Чтобы исследовать это, Адриан и его команда объединили данные Хеопса с наблюдениями, полученными с помощью наземных телескопов в обсерватории Паранал Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили.
Но хотя планеты в системе TOI-178 вращаются вокруг своей звезды очень упорядоченно, их плотности не следуют какой-либо определенной закономерности. Одна из экзопланет, плотная планета земного типа, такая как Земля, находится прямо рядом с такой же по размеру, но очень «пушистой» планетой — вроде мини-Юпитера, а рядом с ней — одна, очень похожая на Нептун.
«Это не то, чего мы ожидали, и мы впервые наблюдаем такую структуру в планетарной системе«, — говорит Адриан. «В тех немногих системах, где мы знаем, где вращаются планеты в этом резонансном ритме, плотности планет постепенно уменьшаются по мере удаления от звезды, и это также то, что мы ожидаем от теории«.
Катастрофические события, такие как гигантские столкновения, обычно могли бы объяснить большие изменения плотности планет, но система TOI-178 не была бы так четко гармонизирована, если бы это было так.
«Орбиты в этой системе очень хорошо упорядочены, что говорит нам о том, что эта система развивалась довольно плавно с момента своего рождения«, — объясняет соавтор Янн Алиберт из Бернского университета.
Раскрытие сложной архитектуры системы TOI-178, которая бросает вызов текущим теориям образования планет, стало возможным благодаря почти 12 дням наблюдений с Хеопсом (11 дней непрерывных наблюдений плюс два более коротких наблюдения).