Arvoituksellinen aivan erityisessä rytmissä liikkuva kuuden eksoplaneetan järjestelmä haastaa planeettojen syntyteoriat

eso2102fi — Tutkimustiedote/ Pasi Nurmi

Tutkimusryhmän havaittua noin 200 valovuoden päässä Kuvanveistäjän tähdistössä sijaitsevaa TOI-178:aa ensimmäistä kertaa, he luulivat havainneensa kaksi planeettaa, jotka kiertävät sitä samalla kiertoradalla. Tarkempi tarkastelu paljasti kuitenkin jotain aivan muuta. ”Lisähavaintojen avulla huomasimme, ettei tähteä kiertänytkään kaksi planeettaa suunnilleen samalla etäisyydellä siitä, vaan pikemminkin useita planeettoja aivan erityisessä konfiguraatiossa”, Adrien Leleu Université de Genèvestä ja Bernin yliopistosta Sveitsistä sanoi. Hän johti tänään Astronomy & Astrophysics lehdessä julkaistua järjestelmästä tehtyä uutta tutkimusta.

Tähtitieteilijät ovat löytäneet usean teleskoopin yhteisten havaintojen avulla kuuden eksoplaneetan järjestelmän, joista viiden rata on lukkiutunut harvinaiseen rytmiin keskustähtensä ympärille. Euroopan eteläisen observatorion Very Large Telescope (VLT) kaukoputki on yksi tutkimuksessa mukana olleista kaukoputkista. Tutkijat uskovat, että järjestelmän tutkimus voi antaa tärkeitä vihjeitä siitä, miten eri planeetat, kuten oman Aurinkokuntamme planeetat, muodostuvat ja kehittyvät. Kuva ESO.

 

Uusi tutkimus on paljastanut, että järjestelmässä onkin kuusi eksoplaneettaa, ja kaikki paitsi tähteä lähimpänä oleva, ovat lukkiutuneet rytmiseen tanssiin niiden liikkuessa kiertoradoillaan tähden ympäri. Toisin sanoen ne ovat resonanssissa. Tämä tarkoittaa, että on olemassa keskinäisiä asentoja, jotka toistavat itseään planeettojen kiertäessä tähteä. Jotkin planeetat ovat aina keskenään samassa suunnassa muutamien ratakiertojen jälkeen. Samanlainen resonanssi havaitaan Jupiterin kolmen kuun kiertoradoissa Iossa, Europassa ja Ganymedessä. Io on lähin kolmesta Jupiterin kuusta. Se tekee neljä täyttä kierrosta Jupiterin ympäri jokaista kauimmaisella kiertoradalla olevaa Ganymeden kierrosta kohti, ja kaksi täyttä kierrosta jokaista Europan kierrosta kohti.

TOI-178-järjestelmän viisi ulompaa eksoplaneettaa noudattavat paljon monimutkaisempaa resonanssiketjua, joka on yksi pisimmistä planeettojen järjestelmistä löydetyistä ketjuista. Kolme Jupiterin kuuta ovat 4:2:1 resonanssissa, ja TOI-178-järjestelmän viisi ulompaa planeettaa noudattavat 18:9:6:4:3 ketjua. Siinä tähdestä katsottuna toinen planeetta (ensimmäinen resonanssiketjussa) kiertää 18 kierrosta, ja kolmas planeetta (toinen ketjussa) kiertää 9 kierrosta ja niin edelleen. Itse asiassa tutkijat löysivät aluksi vain viisi planeettaa, mutta tätä resonanssirytmiä seuraamalla he laskivat, missä sen mukaan mahdollinen lisäplaneetta olisi seuraavaksi, kun heillä olisi taas mahdollisuus havaita järjestelmää.

Tämä planeettojen resonanssi ei ole pelkästään outo kuriositeetti, vaan se antaa vihjeitä järjestelmän menneisyydestä. ”Järjestelmän kiertoradat ovat erittäin tarkasti järjestyneet, mikä kertoo, että se on kehittynyt varsin vähän syntymänsä jälkeen”, tutkimuksessa mukana ollut Yann Alibert Bernin yliopistosta sanoi. Jos järjestelmä olisi merkittävästi häiriintynyt aiemmin, esimerkiksi jättimäisen törmäyksen seurauksena, niin tämä kiertoradan hauras konfiguraatio ei olisi siitä selvinnyt.

Epäjärjestystä jaksollisessa järjestelmässä

Vaikka kiertoratojen järjestys onkin tarkka ja hyvin järjestynyt, niin planeettojen tiheydet ovat "paljon enemmän epäjärjestyksessä", tutkimuksessa mukana ollut Nathan Hara Sveitsin Université de Genèvestä sanoi. ”Näyttää siltä, että järjestelmässä planeetta, joka on yhtä tiheä kuin maapallo, on aivan hyvin harvan planeetan vieressä, joka tiheys on vain puolet Neptunuksen tiheydestä. Näitä järjestyksessä seuraa Neptunuksen tiheyksinen planeetta. Tämä ei ole sitä, mitä olemme tottuneet näkemään”. Esimerkiksi meidän Aurinkokunnassamme planeetat ovat hyvin järjestyksessä. Kiviset, tiheämmät planeetat ovat lähempänä keskustähteä ja harvemmat, pienitiheyksiset kaasuplaneetat ovat kauempana.

”Tämä kontrasti kiertoliikkeen rytmisen harmonian ja järjestäytymättömien tiheyksien välillä haastaa varmasti ymmärryksemme planeettajärjestelmien muodostumisesta ja kehityksestä”, Leleu sanoo.

Eri havaintomenetelmien yhdistäminen

Tutkimusryhmä käytti Euroopan avaruusjärjestön CHEOPS-satelliitin datoja ja ESO:n VLT:ssä olevien ESPRESSO- sekä NGTS- ja SPECULOOS-instrumenteista saatua dataa tämän epätavallisen kohteen tutkimiseksi. Nämä instrumentit ovat ESO:n Paranalin observatoriossa Chilessä. Koska eksoplaneettojen suora havaitseminen on äärimmäisen hankalaa, niin tähtitieteilijöiden on sen sijaan käytettävä muita tekniikoita niiden havaitsemiseksi. Tärkeä menetelmä on planeettojen ylikulkujen havainnot, joissa tarkkaillaan keskustähden valoa, joka himmenee eksoplaneetan kulkiessa sen eteen Maasta nähtynä. Toinen tärkeä menetelmä on näkösäteen suunnassa tapahtuvat nopeushavainnot. Siinä tarkkaillaan tähden valon spektriä ja etsitään merkkejä pienistä vaihteluista, joita tapahtuu eksoplaneettojen liikkuessa kiertoradoillaan. Järjestelmän tutkimuksessa tutkimusryhmä käytti molempia menetelmiä. CHEOPS-, NGTS- ja SPECULOOS-instrumentteja käytettiin ylikulkututkimuksessa ja ESPRESSO:n dataa säteisnopeuksien tutkimuksessa.

Yhdistämällä nämä kaksi tekniikkaa tähtitieteilijät pystyivät keräämään keskeistä tietoa järjestelmästä ja sen planeetoista, jotka kiertävät keskustähteään paljon lähempänä ja paljon nopeammin kuin Maa kiertää Aurinkoa. Nopein (sisin planeetta) kiertää tähden ympäri vain parissa päivässä, kun taas hitaimman kierros kestää noin kymmenen kertaa kauemmin. Kuuden planeetan koot ovat noin Maan kokoisesta kolme kertaa Maan kokoiseen, kun taas niiden massat ovat 1,5 – 30 -kertaisia Maahan verrattuna. Osa planeetoista on kivisiä, mutta Maata suurempia. Nämä planeetat tunnetaan yleisesti nimellä supermaat. Toiset ovat kaasuplaneettoja, kuten aurinkokuntamme uloimmat planeetat, mutta nyt havaitut ovat paljon pienempiä. Näitä kutsutaan nimellä minineptunukset.

Vaikka yksikään löydetyistä kuudesta eksoplaneetasta ei ole tähden asuttavalla vyöhykkeellä, tutkijat ovat ehdottaneet, että resonanssiketjua seuraamalla he saattavat löytää lisää planeettoja, joita voisi olla olemassa tällä vyöhykkeellä tai hyvin lähellä sitä. ESO:n Erittäin suuren kaukoputken (ELT) on määrä aloittaa toimintansa tällä vuosikymmenellä, ja se pystyy havaitsemaan suoraan kivisiä eksoplaneettoja tähden asuttavalla vyöhykkeellä ja jopa tutkimaan niiden kaasukehää. Tämä antaa uuden mahdollisuuden tutustua TOI-178:n kaltaisiin järjestelmiin vielä tarkemmin.