Două familii de exoplanete redefinesc cum pot arăta sistemele planetare

Două familii strânse de exoplanete depășesc granițele cum poate arăta un sistem planetar. Noi studii ale structurii lumilor care orbitează în jurul a două stele diferite arată o gamă largă de posibilități planetare, toate diferite de sistemul nostru solar.

„Când studiem sistemele cu mai multe planete, pur și simplu există mai multe informații păstrate în aceste sisteme” decât orice planetă în sine, spune geofizicianul Caroline Dorn de la Universitatea din Zurich. Studierea planetelor împreună „ne spune despre diversitatea dintr-un sistem pe care nu o putem obține dacă ne uităm la planete individuale”.

Dorn și colegii săi au studiat un vechi sistem planetar preferat numit TRAPPIST-1, care găzduiește șapte planete de dimensiunea Pământului, care orbitează o stea mică și slabă la aproximativ 40 de ani lumină distanță. O altă echipă a studiat un sistem recent identificat, numit TOI-178, care are cel puțin șase planete – trei deja cunoscute și trei recent găsite – care înconjoară o stea luminoasă și fierbinte la aproximativ 200 de ani lumină distanță.

Ambele sisteme oferă oamenilor de știință planetari un avantaj față de alte peste 3.000 de alte familii de exoplanete observate până în prezent: toate cele șapte planete din TRAPPIST-1 și toate cele șase din TOI-178 au mase și raze binecunoscute. Asta înseamnă că oamenii de știință planetar își pot da seama densitățile, un indiciu al compoziției planetelor (SN: 5/11/18).

Cele două sisteme oferă, de asemenea, un alt avantaj: planetele sunt împachetate atât de aproape de stelele lor, încât majoritatea sunt angajați într-un dans orbital delicat numit lanț de rezonanță. De fiecare dată când o planetă exterioară completează o orbită în jurul stelei sale, unele dintre planetele sale frate mai apropiate completează mai multe orbite.

Lanțurile de rezonanță sunt aranjamente fragile, iar scoaterea unei planete chiar și ușor din orbita ei le poate distruge. Asta înseamnă că sistemele TRAPPIST-1 și TOI-178 trebuie să se fi format lent și ușor, spune astronomul Adrien Leleu de la Universitatea din Geneva.

Planetele lui TOI-178 sunt angajate într-un dans orbital delicat numit lanț de rezonanță care sugerează că sistemul s-a format ușor. Acest videoclip ilustrează acest dans ritmic: pe măsură ce o planetă exterioară completează o orbită completă, planetele interioare completează mai multe orbite. Fiecărei orbite întregi și jumătate i se atribuie o notă muzicală. Când planetele se aliniază, notele se armonizează.

„Nu credem că ar fi putut exista impacturi uriașe sau interacțiuni puternice în care o planetă a ejectat o altă planetă”, spune Leleu. Această evoluție blândă oferă astronomilor o oportunitate unică de a folosi TRAPPIST-1 și TOI-178 ca bancuri de testare pentru teoria planetară.

Într-o pereche de lucrări, două echipe descriu aceste sisteme în detaliu fără precedent. Ambele contravin tendințelor așteptate de astronomi de la teoriile despre modul în care se formează sistemele planetare.

În sistemul TOI-178, densitățile planetelor sunt toate amestecate, raportează Leleu și colegii din 25 ianuarie în Astronomie și astrofizică.

„În cel mai mic scenariu, ne așteptăm ca planetele mai îndepărtate de stea… să aibă componente mai mari de hidrogen și heliu gazos decât planetele mai apropiate”, spune astrofizicianul Leslie Rogers de la Universitatea din Chicago, care nu a fost implicat în niciunul dintre studii. Cu cât mai aproape de stea, cu atât o planetă ar trebui să fie mai densă. Acest lucru se datorează faptului că planetele mai îndepărtate s-au format probabil acolo unde este frig și au existat mai multe materiale cu densitate scăzută, cum ar fi apa înghețată, mai degrabă decât roca, pentru început. În plus, lumina stelelor poate îndepărta mai ușor atmosferele planetelor apropiate decât cele îndepărtate, lăsând planetele interioare cu atmosfere mai subțiri – sau fără atmosfere deloc (SN: 7/1/20).

TOI-178 ignoră în totalitate această tendință. Cele mai interioare planete par a fi stâncoase, cu densități similare cu cele ale Pământului. Al treilea este „foarte pufos”, spune Leleu, cu o densitate ca a lui Jupiter, dar pe o planetă mult mai mică. Următoarea planetă care iese are o densitate ca a lui Neptun, aproximativ o treime din densitatea Pământului. Apoi, există unul cu aproximativ 60% din densitatea Pământului, încă suficient de pufos pentru a pluti dacă l-ai putea pune într-o cadă cu apă, iar planeta finală este asemănătoare lui Jupiter.

„Orbitele par să sublinieze că nu a existat o evoluție puternică din [the system’s] formație”, spune Leleu. „Dar compozițiile nu sunt ceea ce ne-am fi așteptat de la o formare blândă a discului.”

Pe de altă parte, septul planetei TRAPPIST-1 are o auto-asemănare ciudată. Fiecare lume are aproximativ aceeași dimensiune cu Pământul, între 0,76 și 1,13 ori mai mare decât raza Pământului, au raportat în 2017 astrofizicianul Eric Agol de la Universitatea Washington din Seattle și colegii săi (SN: 2/2/17). În plus, cel puțin trei dintre ele par să fie în zona locuibilă a stelei, regiunea în care temperaturile ar putea fi potrivite pentru apa lichidă.

Acum, Agol, Dorn și colegii au făcut cele mai precise măsurători ale maselor TRAPPIST-1 de până acum. Toate cele șapte lumi sunt aproape identice unele cu altele, dar puțin mai puțin dense decât Pământul, relatează echipa în februarie. Jurnalul de Științe Planetare. Aceasta înseamnă că planetele ar putea fi stâncoase, dar au o proporție mai mică de elemente grele, cum ar fi fierul, în comparație cu Pământul. Sau ar putea însemna că au mai mult oxigen legat de fierul din rocile lor, „practic ruginind-o”, spune Agol.

Trei planete cu compoziții diferite
Cele șapte planete ale lui TRAPPIST-1 par să aibă compoziții similare între ele, dar diferite de Pământ. Ar putea avea un machiaj asemănător Pământului, dar cu un miez mai mic, bogat în fier (centru), sau să nu aibă deloc miez (stânga). Ar putea avea și oceane adânci (dreapta), dar cele trei planete interioare sunt probabil prea fierbinți pentru a rezista atât de multă apă.JPL-Caltech/NASA
Trei planete cu compoziții diferite
Cele șapte planete ale lui TRAPPIST-1 par să aibă compoziții similare între ele, dar diferite de Pământ. Ar putea avea un machiaj asemănător Pământului, dar cu un miez mai mic, bogat în fier (centru), sau să nu aibă deloc miez (stânga). Ar putea avea și oceane adânci (dreapta), dar cele trei planete interioare sunt probabil prea fierbinți pentru a rezista atât de multă apă.JPL-Caltech/NASA

Fierul oxidat nu ar forma un nucleu planetar, ceea ce ar putea fi o veste proastă pentru viață, spune Rogers. Nici un nucleu ar putea însemna nici un câmp magnetic care să protejeze planetele de erupțiile dăunătoare ale stelei (SN: 3/5/18).

Cu toate acestea, nu este clar cum se formează planete fără miez. „Există propuneri pentru a forma astfel de planete, dar nu avem de fapt un candidat în sistemul solar în care să vedem asta”, spune Dorn. Analogii din sistemul solar sunt toți corpuri de dimensiunea unui asteroizi mult mai puțin masiv decât Pământul.

Astronomii ar putea înțelege mai bine compoziția planetelor lui TRAPPIST-1. Telescopul spațial James Webb, care urmează să fie lansat în octombrie, va sonda atmosferele planetelor (dacă au vreuna) pentru semne de elemente chimice care ar dezvălui mai detaliat din ce sunt făcute.

Asemănările planetelor TRAPPIST-1 între ele nu sunt la fel de surprinzătoare precum diferențele dintre planetele TOI-178, spune Rogers. Dar sunt încă neașteptate. Dacă toate planetele au compoziții identice, atunci orice model de formare trebuie să explice asta, spune ea.

În timp ce aceste sisteme contestă părerile astronomilor despre tipurile de planete posibile, spune Dorn, va fi nevoie de descoperirea mai multor sisteme multiplanetare pentru a spune cât de ciudate sunt cu adevărat.