Clic per engrandir. Recreació artística de la vista del sistema TOI-178 des del planeta
més llunyà. Es basa en el coneixement dels paràmetres físics dels planetes i de l’estrella
observats i utilitza una extensa base de dades d’objectes de l’Univers. Crèdit: ESO / L. Calçada.
Les característiques de les òrbites dels planetes, així com les seves masses i mides, són fòssils de la cosmogonia i de l’evolució dels sistemes planetaris. El fenomen universal conegut com a ressonància orbital es troba tant en el món dels exoplanetes com en el del Sistema Solar. En el cas de l'estrella TOI-178, deixa els planetòlegs perplexos i el seu seguici d'exoplanetes suggereix un qüestionament parcial dels models.
Fa gairebé quatre segles, just després del descobriment del telescopi astronòmic per Galileu el pare de la física moderna, va revelar amb aquest instrument l'existència de quatre punts lluminosos que es mouen al voltant de Júpiter. Es va adonar uns mesos més tard (març del 1610) que devien ser els equivalents de la Terra a la nostra Lluna. Aquests mons, coneguts habitualment com a llunes galileanes, havien estat descoberts de manera independent, al mateix temps, per l'astrònom alemany Simon Marius. Els va donar els seus noms actuals, derivats dels amants de Zeus, a proposta de Johannes Kepler. Per tant, són Io, Europa, Ganimedes i Cal·listo per ordre de distància creixent de Júpiter.
Els avenços en els rellotges mecànics i la proliferació d’astrònoms amb lents i telescopis cada vegada més potents van permetre descobrir que els períodes orbitals dels tres satèl·lits interiors estaven units per un sorprenent sincronisme. El període T2 d'Europa semblava aproximadament el doble que el T1 d'Io; el T3 de Ganimedes era en si mateix el doble de llarg que el d'Europa. Curiosament, el període orbital de Cal·listo no va ser un múltiple simple del de Ganimedes.
Tot això s'esmenta a la famosa obra del matemàtic, astrònom i físic Pierre-Simon Laplace (1749-1827) que constitueix una mena de resum del coneixement en astronomia i mecànica celeste a principis del segle XIX: Exposition du système du monde.
Tanmateix, abans de 1800, Laplace havia aconseguit donar una explicació a aquest fenomen i el progrés de l'astronomia i la mecànica celeste demostraria que no era específic només per als mons galileans. Es coneix com a ressonància orbital i en el cas de les llunes de Júpiter com a ressonància de Laplace. No és sorprenent que, a causa de la universalitat de l’atracció gravitacional al cosmos observable, fins on es pugui jutjar, les ressonàncies gravitatòries del sistema solar també s’han observat durant anys en altres sistemes planetaris, els dels exoplanetes de la Via Làctia.
Conferència de Jacques Laskar titulada Dinàmica dels sistemes planetaris extrasolars.
L’investigador parla de la teoria de les ressonàncies orbitals i del descobriment
de Laplace. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del
vídeo. © Académie des sciences
El fenomen universal de les ressonàncies orbitals
El fenomen de la ressonància és el resultat de les forces gravitatòries exercides pels cossos entre si. L’equilibri de forces i les seves variacions en l’espai i el temps poden conduir a fenòmens similars al que s’observa quan s’empeny a la freqüència adequada una persona sobre un oscil·lació, cosa que la posa en moviment i també la manté en un moviment gairebé constant. Podem demostrar en la mecànica celestial que aquest fenomen de ressonància orbital es produeix quan les relacions de períodes orbitals o de rotació són les dels nombres enters a una bona aproximació.
No hi ha ressonàncies orbitals reals en el cas dels principals planetes del sistema solar (com explica Jacques Laskar al vídeo anterior), però sí que n'observem alguns amb certs satèl·lits d’aquests planetes. És el cas de la Lluna on la proporció entre el seu període de revolució orbital i la seva pròpia rotació és precisament 1:1, cosa que es pot veure pel fet que la Lluna està en rotació síncrona i, per tant, sempre ens presenta la mateixa cara.
Avui (pel 31 de gener), un equip internacional d’astrònoms, utilitzant el Very Large Telescope de l'Observatori Austral Europeu (el VLT de l’ESO), va observar una de les estrelles que va cridar l’atenció al catàleg d’objectes d’interès TESS (TOI), elaborat a partir d’observacions del caçador d’exoplanetes de la NASA, Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), acaba d’expressar la seva perplexitat a través d’ un article que es pot trobar a arXiv.
TOI-178 és una estrella situada a uns 200 anys llum de la Terra a la constel·lació de l'Escultor i se sap que tenia un seguici planetari. Però a la nota de premsa de l’ESO que acompanya l’article també publicat a la revista Astronomy & Astrophysics, el seu principal autor, l’astrònom Adrien Leleu de la Universitat de Ginebra i la Universitat de Berna a Suïssa, explica que “més observacions ens van permetre entendre que el sistema no estava format per dos planetes que orbitaven a una distància similar de la seva estrella, sinó per diversos planetes situats en una configuració molt particular”.
Aquesta animació mostra una representació de les òrbites i moviments dels planetes del
sistema TOI-178. Noves investigacions d'Adrien Leleu i els seus col·legues, dutes a
terme amb diversos telescopis, incloent el Very Large Telescope de l'ESO, ha revelat que el
sistema compta amb sis exoplanetes i que tots, menys el més proper a l'estrella, són
presoners d'un ritme peculiar a mesura que es mouen en les seves respectives òrbites
(representats en color taronja). En altres paraules, estan en ressonància. Això vol dir
que hi ha patrons que es repeteixen a mesura que els planetes es mouen al voltant
de l'estrella, fent que alguns planetes s'alineïn cada poques òrbites. Crèdit: ESO, L. Calçada
En aquesta recreació artística, el moviment rítmic dels planetes al voltant de l'estrella central es representa a través d'una harmonia musical, creada mitjançant l'atribució d'una nota (en l'escala pentatònica) a cada un dels planetes de la cadena de ressonància. Aquesta nota es reprodueix quan un planeta completa una òrbita o mitja òrbita; quan els planetes s'alineen en aquests punts de les seves òrbites, sonen en ressonància.
De fet, els investigadors han identificat sis exoplanetes, cinc dels quals semblen estar en ressonància orbital. Si les llunes de Galileu tenen, com hem vist, una configuració de 4: 2: 1, els cinc planetes exteriors del sistema TOI-178 tenen una configuració de 18: 9: 6: 4: 3, és a dir, la el segon planeta exterior fa un cercle de 18 òrbites mentre que el tercer planeta exterior en fa 9.
Ja coneixíem aquests exemples, però aquest cas és de fet especial i no perquè aquests cinc exoplanetes segueixin una cadena de ressonància que és un dels descobriments més grans fins ara dins d’un sistema planetari.
Els investigadors van estudiar els exoplanetes TOI-178 tant pel mètode de trànsit, que dóna diàmetres, com pel de velocitats radials, que dóna masses, en el primer cas sobretot amb dades del satèl·lit Cheops de l’ESA i en el segon amb l’espectrògraf ESPRESSO (espectrògraf Echelle per a observacions espectroscòpiques rocoses i estables”) instal·lat al VLT (també es van utilitzar els instruments NGTS i SPECULOOS, ambdós que funcionen des de l’Observatori Paranal d’ESO a Xile).
Els diàmetres i les masses proporcionen accés a les densitats i, tal com s’explica a la nota de premsa de l’ESO, sabem que les mides dels exoplanetes TOI-178 oscil·len entre un i tres diàmetres terrestres per a masses d’entre 1,5 i 30 masses terrestres. Sabem, doncs, que alguns d’ells són rocosos i superterres, mentre que d’altres són gasosos i són mini-Neptuns.
Gràcies a una combinació de telescopis, inclòs el Very Large Telescope del European
Southern Observatory (VLT de l’ESO), els astrònoms han descobert un sistema
format per sis exoplanetes, cinc d’ells participants en un autèntic ballet còsmic al
voltant de la seva estrella central. Aquest vídeo resumeix el descobriment i explica
per què aquest estrany sistema qüestiona les nostres teories sobre la formació planetària.
Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. © ESO
Una pedra de Rosetta de la cosmogonia
Només aquí, com explica un dels coautors de l’estudi, Nathan Hara, de la Universitat de Ginebra, a Suïssa, aquests cossos celestes es distribueixen segons una sèrie de densitats estranyament aleatòries. "Sembla que un planeta tan dens com la Terra es troba no gaire llunyà d'un planeta cotonós caracteritzat per una densitat inferior a la meitat de la de Neptú, seguit d'un planeta de la mateixa densitat que Neptú. A això no estem acostumats".
Malgrat això, en el cas del sistema solar, fins i tot si sabem que hi ha hagut migracions planetàries, els gegants gasosos es van formar necessàriament segons els nostres models cosmogònics allunyats del Sol i dels planetes tel·lúrics propers, la separació entre sistemes interns i externs va durar milers de milions d’anys, pel que sabem, i això és un reflex de les condicions de formació planetària que semblen les més raonables i les més necessàries.
De fet, com esmenta Adrien Leleu, "el contrast entre l'harmonia rítmica del ballet orbital i la dissonància de les densitats planetàries qüestiona la nostra comprensió de la formació i l'evolució dels sistemes planetaris". El seu company Yann Alibert de la Universitat de Berna, també coautor de l'estudi, explica que "les òrbites d'aquest sistema planetari estan perfectament ordenades, cosa que suggereix que aquest sistema ha evolucionat lentament i suaument des del seu naixement".
Per tant, els cosmogonistes hauran de revisar una mica la seva teoria. El que és cert per als astrònoms és que els seus models de naixement d’exoplanetes tendeixen a produir sistemes amb planetes importants que s’espera que tinguin sovint ressonància orbital i que s’hagi d’estudiar l’estudi d’aquests sistemes. Equivalent de la pedra de Rosetta de la gènesi dels sistemes planetaris. En l’article publicat a Astronomy & Astrophysics, els investigadors també conclouen pel que fa al TOI-178 que “la configuració orbital particular i la diversitat de la densitat mitjana entre els planetes del sistema permetran l’estudi de les estructures interiors planetàries i de la seva evolució atmosfèrica, proporcionant pistes importants sobre la formació de superterres i mini-Neptuns”.
MOJO: MOdelar l’origen dels planetes JOvians. És un projecte de recerca que
va donar lloc a una sèrie de vídeos que presentaven la teoria de l’origen del sistema
solar i en particular, dels gegants gasosos per reconeguts especialistes, Alessandro
Morbidelli i Sean Raymond. Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la
configuració del vídeo. © Laurence Honnorat
És igualment interessant saber que el 2019, Sean Raymond, Alessandro Morbidelli i els seus col·legues havien publicat un article, disponible en accés obert a arXiv, on feien saber que les simulacions digitals produïen superterres que després migraven per formar una sèrie de planetes en ressonància orbital. Aquestes cadenes de planetes són però, molt inestables a principis de la història de la formació planetària. Així doncs, li vam preguntar a Sean Raymond què pensar sobre el sistema planetari al voltant del TOI-178. Aquí teniu la seva resposta:
"Per a mi, aquest sistema està fora de la norma, però no constitueix una anomalia inquietant. La seva estructura multiresonant és realment interessant, i és bo que ara tinguem un segon exemple on podem veure, com en el cas del Sistema al voltant de Trappist-1, cinc exoplanetes en ressonància orbital.
Pel que fa a les sorprenents variacions de les seves densitats en funció dels seus radis orbitals, una mica com en el cas del sistema al voltant de Wasp-47, trobo que ens trobem davant d’un bonic misteri a profunditzar. No diré que canviï totes les nostres idees sobre com es formen aquests sistemes, és més un repte unir les peces adequades en el trencaclosques".
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada
Aquí pots deixar el teu comentari