Amikor a kutatócsoport először észlelte a Szobrász (Sculptor) csillagképben megfigyelhető, kb. 200 fényév távolságban lévő TOI-178 katalógusjelű csillagot, azt hitték, hogy két, ugyanazon a pályán keringő bolygót csíptek el. Az alaposabb vizsgálat azonban egészen más helyzetet tárt fel. „A további észlelések alapján felismertük, hogy nem két bolygó kering a csillagtól közel azonos távolságban, hanem több bolygó egy egészen különleges konfigurációban" – mondja Adrien Leleu (Genfi Egyetem, Berni Egyetem, Svájc), az Astronomy & Astrophysics c. folyóiratban ma megjelent, a rendszert bemutató tanulmány vezető szerzője.
Rezonanciában lévő bolygók
Az új kutatás feltárta, hogy a rendszernek hat bolygója van, amelyek a csillaghoz legközelebbi kivételével szigorúan kötött ritmusú rendben járják pályájukat. Szakkifejezéssel élve rezonanciában vannak. Ezt az jelenti, hogy a csillag körüli keringés során bizonyos konfigurációk rendszeresen ismétlődnek, egyes bolygók néhány keringés után újra és újra ugyanabban az irányban látszanak a csillag felől nézve. Hasonló rezonancia figyelhető meg a Jupiter három holdja, az Io, az Europa és a Ganymede esetében is. A három közül a Jupiterhez legközelebbi Io négy, illetve két teljes keringést végez, mialatt a legtávolabbi Ganymede és az Europa egyet-egyet.
A TOI-178 rendszer öt külső bolygója ennél sokkal összetettebb, az exobolygó-rendszerek esetében eddig megfigyelt egyik leghosszabb rezonancialánccal jellemezhető. Míg a három Jupiter-hold 4:2:1 arányú rezonanciában van egymással, a TOI-178 öt külső bolygója a 18:9:6:4:3 lánccal írható le: mialatt a csillagtól számított második bolygó (az első a rezonancialáncban) 18 keringést végez, a harmadik bolygó (a második a rezonancialáncban) 9 keringést, és így tovább. A kutatók először valójában csak öt bolygót azonosítottak a rendszerben, de a rezonáns ritmust követve kiszámították, hogy a pályáján hol lenne egy további bolygó, amikor újra lehetőségük nyílik a rendszer megfigyelésére.
A bolygók rezonáns tánca több égi mechanikai érdekességnél, ugyanis a rendszer múltjáról is hordoz információt. „A rendszerben a pályák nagyon szépen rendezettek, ami arra utal, hogy az a születése óta nagyobb megrázkódtatások nélkül fejlődött" – magyarázza a cikk egyik társszerzője, Yann Alibert (Berni Egyetem). Ha a rendszert korábban nagyobb zavar érte volna, például egy hatalmas becsapódás formájában, a törékeny pályakonfiguráció azt nem élte volna túl.
Rendetlenség a rendben
A pályák ugyan szép rendben követik egymást, de a bolygók sűrűségéről ugyanez már nem mondható el, azok „sokkal rendetlenebbek" – mondja a vizsgálatban szintén részt vevő Nathan Hara (Genfi Egyetem, Svájc). „Úgy tűnik, hogy az egyik bolygó sűrűsége akkora, mint a Földé, a rögtön utána következőé azonban csak fele a Neptunusz sűrűségének, míg az azt követőé annyi, mint a Neptunuszé." Például a Naprendszerben a bolygók elrendeződése sokkal szebb, a sűrűbb kőzetbolygók a központi csillaghoz közelebb, a kis sűrűségű gázóriások pedig attól távol keringenek.
„A keringés ritmikus harmóniája és a sűrűségek összevisszasága közötti kontraszt komoly kihívást jelent a bolygórendszerek keletkezését és fejlődését magyarázó elméleteink számára"
– teszi hozzá Leleu.
Módszerek kombinálása
A rendszer szokatlan felépítésének vizsgálatához a kutatócsoport az Európai Űrügynökség (ESA) CHEOPS űrszondájának adatai mellett felhasználta az ESO VLT távcsőegyüttesén üzemelő ESPRESSO, illetve a szintén az ESO chilei Paranal Obszervatóriumában működő NGTS (Next-Generation Transit Survey) és SPECULOOS (Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars) műszerek által szolgáltatott adatokat is. Mivel az exobolygókat rendkívül nehéz közvetlenül megfigyelni, a csillagászoknak más technikákat kell bevetniük a detektálásukhoz. A két legfontosabb eljárás az ún. tranzitok megfigyelése, illetve a radiális sebességek mérése. Előbbi esetében a központi csillag fényességcsökkenését detektálják, miközben bolygója a Földről nézve elhalad előtte, míg utóbbinál a csillag színképvonalainak periodikus eltolódását mérik, amint keringése közben a bolygó „rángatja" a központi égitestet. A kutatócsoport mindkét módszert használta a rendszer vizsgálata során: a CHEOPS, az NGTS és a SPECULOOS a tranzitokat, az ESPRESSO a radiálissebesség-változásokat mérte.
Az ábra a TOI-178 bolygórendszer pozícióját mutatja a Szobrász csillagképben. A térkép a jó körülmények között szabad szemmel is látható csillagok többségét ábrázolja, a bolygórendszer égi pozícióját vörös kör jelöli - FORRÁS: ESO, IAU AND SKY & TELESCOPE
A két módszer kombinálásával a csillagászoknak sikerült összegyűjteniük a legfontosabb információkat a rendszerről és a bolygóiról, amelyek mindegyike csillagához jóval közelebb kering, mint a Nap–Föld-távolság, és sokkal gyorsabban járja körbe azt, mint bolygónk a csillagunkat. A leggyorsabb (legbelső) bolygó mindössze néhány nap alatt tesz meg egy kört, míg a leglassúbbnak ehhez kb. tízszer annyi időre van szüksége. A hat bolygó mérete nagyjából a Földé és annak háromszorosa között van, míg a tömegeik 1,5 és 30 földtömeg közöttiek. Némelyik a Földnél nagyobb kőzetbolygó, ezek ún. szuperföldek, mások pedig a Naprendszer külső planétáihoz hasonló gázbolygók, de azoknál kisebbek, ezek ún. minineptunuszok.
Bár a hat bolygó egyike sem kering a csillaga lakhatósági zónájában, a kutatók szerint a rezonancialánc folytatásával esetleg találhatnak még a rendszerben további bolygókat, amelyek a zónában vagy annak közvetlen közelében vannak. Az ESO még ebben az évtizedben munkába álló Rendkívül Nagy Távcsöve (ELT) képes lesz közvetlenül is lefényképezni lakhatósági zónákban keringő kőzetbolygókat, sőt még a légkörük jellemzőit is meg tudja majd állapítani, lehetővé téve ezáltal a TOI-178-hoz hasonló rendszerek még részletesebb vizsgálatát.
