Descoberts sis planetes gràcies a les seves òrbites sincronitzades
- Els planetes orbiten sincronitzats entorn de la seva estrella central, seguint un ritme predictible que els astrònoms anomenen ‘ressonància’
- Aquesta configuració demostra que el sistema planetari no ha patit grans canvis des de la seva formació fa més de mil milions d’anys
- Investigadors de l’IEEC a l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) han participat en aquest descobriment, que utilitza observacions de l’instrument CARMENES de Calar Alto i dades de la missió CHEOPS de l’ESA
Llegenda: En traçar un vincle entre dos planetes veïns en intervals de temps regulars al llarg de les seves òrbites, es crea un patró únic per a cada parella. Els sis planetes del sistema HD 110067 creen junts un hipnòtic patró geomètric a causa de la seva cadena de ressonància.
Crèdits: Thibaut Roger/NCCR PlanetS, CC BY-NC-SA 4.0
Els astrònoms han trobat una peculiar família de sis planetes en òrbita al voltant d’una estrella similar al Sol anomenada HD 110067. Encara que els sistemes multiplanetaris són comuns en la nostra galàxia, els que es troben en una ajustada formació gravitatòria coneguda com ‘ressonància’ s’observen amb molta menys freqüència. Un equip internacional d’investigadors liderat per Rafael Luque, de la Universitat de Chicago, ha publicat avui un article sobre aquest descobriment a la revista Nature. Diversos investigadors de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) han participat en la recerca.
La configuració ressonant significa que les òrbites estan sincronitzades d’una manera particular. En aquest cas, el planeta més proper a l’estrella realitza tres òrbites per cada dues del següent planeta, el que anomenem ressonància 3/2, un patró que es repeteix entre els quatre planetes més propers. En el cas dels planetes més allunyats, es tracta de quatre òrbites per cada tres del planeta següent, una ressonància 4/3.
Els sistemes orbitals ressonants com aquest són extremadament importants perquè informen els astrònoms sobre la formació i posterior evolució del sistema planetari. Els sistemes planetaris tendeixen a formar-se en ressonància, però poden ser pertorbats fàcilment. Per exemple, un planeta molt massiu en el sistema, un apropament amb una estrella passatgera o qualsevol tipus de fusió o col·lisió poden alterar el delicat equilibri. Per tant, trobar un sistema ressonant és com observar un sistema planetari ‘fòssil’.
Llegenda: Una singular família de sis exoplanetes ha estat revelada amb l’ajuda de la missió Cheops de l’ESA. Els planetes són tots més petits que Neptú i giren al voltant de la seva estrella HD 110067 en un vals molt precís: quan el planeta més pròxim a l’estrella dona tres voltes completes al seu voltant, el segon en dona exactament dues. Això s’anomena ressonància 3:2. Cheops va confirmar el període orbital del tercer planeta del sistema, que va ser la clau per desxifrar el ritme de tot el sistema. Aquest és el segon sistema planetari en ressonància orbital que Cheops ha ajudat a revelar.
Crèdits: ESA
Juan Carlos Morales, Guillem Anglada-Escudé i Ignasi Ribas, tots ells investigadors de l’IEEC a l’ICE-CSIC, van participar en la recerca aportant observacions realitzades amb CARMENES, l’instrument de cerca d’exoplanetes de l’Observatori de Calar Alto. També van col·laborar programant les observacions amb el planificador de CARMENES, basat en el programari STARS, una solució d’intel·ligència artificial per a la planificació d’operacions de missions espacials i instruments astronòmics desenvolupada per l’IEEC, l’ICE-CSIC i l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB).
«Les observacions espectroscòpiques d’alta resolució de CARMENES al llarg d’un any, juntament amb les de l’espectrògraf HARPS-N, es van utilitzar per determinar la massa de tres dels planetes del sistema i marcar uns límits estrictes per a la resta. Aquestes dades van revelar que els planetes són dels que anomenem de classe sub-Neptú», explica Juan Carlos Morales, investigador de l’IEEC a l’ICE-CSIC.
HD 110067 convida a continuar amb el seu estudi, ja que ens mostra la configuració inalterada d’un sistema planetari que ha mantingut la seva ressonància des de la seva formació: és probable que els planetes hagin estat practicant aquesta mateixa dansa gravitatòria des que es va formar el sistema, fa milers de milions d’anys. A més, es tracta del sistema més brillant conegut amb quatre o més planetes. Atès que tots aquests planetes tenen una grandària inferior a Neptú i atmosferes probablement extenses, són candidats ideals per estudiar la composició de les seves atmosferes amb el telescopi espacial James Webb de la NASA, l’Agència Espacial Europea (ESA) i l l’Agència Espacial Canadenca (CSA).
«Les observacions de CARMENES es van utilitzar per determinar la massa de tres dels planetes del sistema i marcar uns límits estrictes per a la resta. Aquestes dades van revelar que els planetes són dels que anomenem de classe sub-Neptú», explica Juan Carlos Morales, investigador de l’IEEC a l’ICE-CSIC.
Seguint les pistes per trobar els planetes
Llegenda: Animació a escala de les òrbites dels sis planetes ressonants del sistema HD 110067. La imatge de fons és el camp de TESS centrat en HD 110067 des d’on es van veure per primera vegada els primers indicis d’exoplanetes orbitant l’estrella (Crèdit: NASA/MIT/TESS i Ethan Kruse). Les grandàries relatives dels planetes (com mostra la llegenda de la dreta) són precises, encara que la seva grandària real en comparació amb l’estrella és molt menor.
Crèdits: Animació, composició i anotacions de Dr. Hugh Osborn (University of Bern)
El descobriment d’aquests planetes recorda a una història de detectius. Les primeres pistes van provenir del satèl·lit Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, l’objectiu del qual és examinar tot el cel tros a tros per trobar exoplanetes de període petit (amb anys curts). El 2020, TESS va detectar descensos en la brillantor de l’estrella HD 110067, la qual cosa indicava el pas de planetes per davant de la seva superfície. D’aquests petits eclipsis, els astrònoms en diuen ‘trànsits’.
Dos anys després, TESS va tornar a observar la mateixa estrella. Sumant tots dos conjunts de mesures, els científics disposaven d’un ventall de trànsits per estudiar. Però era difícil distingir quants planetes representaven, o precisar les seves òrbites; els dos conjunts d’observacions semblaven discrepar entre si.
«Va ser llavors quan vam decidim utilitzar CHEOPS», explica Rafael Luque. CHEOPS és el Satèl·lit de Caracterització d’Exoplanetes (Characterising Exoplanet Satellite), la primera missió de l’ESA dedicada a estudiar estrelles brillants i pròximes que ja se sap que contenen exoplanetes, i que compta amb la participació de l’IEEC i de l’ICE-CSIC. «Vam anar a pescar senyals entre tots els períodes potencials que aquests planetes podien tenir», explica Luque.
Finalment, els astrònoms van identificar els dos planetes més interiors, amb períodes orbitals de 9 dies per al més proper i de 14 dies per al següent. Un tercer planeta, amb un any d’uns 20,5 dies, va ser identificat amb l’ajut de les dades de CHEOPS.
Llavors, els científics van observar quelcom extraordinari: les òrbites dels tres planetes coincidien amb el que caldria esperar si estiguessin fixats en una ressonància 3/2. Havien trobat la clau per revelar tot el sistema. L’equip científic va repassar una coneguda llista de ressonàncies que podrien donar-se en aquesta mena de sistemes, tractant de fer-les coincidir amb la resta de trànsits que havia captat TESS. Així, els científics van poder predir que els tres planetes exteriors tenen períodes orbitals de 31, 41 i 55 dies. «CHEOPS ens va proporcionar aquesta configuració ressonant que ens va permetre predir tots els altres períodes. Sense aquesta detecció de CHEOPS, hauria estat impossible», explica Luque.
No obstant això, les observacions de TESS que tenien alguna possibilitat de confirmar les òrbites predites dels dos planetes més externs s’havien deixat de banda durant el processament, ja que presentaven un excés de llum dispersa. Una nova anàlisi de les dades per corregir l’excés de llum va revelar dos trànsits ocults, un per a cadascun dels planetes, exactament en els moments esperats per les prediccions. Finalment, encaixaven totes les peces del trencaclosques.
Nota de premsa elaborada en col·laboració amb la Universitat de Chicago, l’ESA i la NASA.
Crèdits: Dr. Hugh Osborn (University of Bern)
Aquesta recerca es presenta en un article titulat «A resonant sextuplet of sub-Neptunes transiting the bright star HD 110067», de Rafael Luque et al., que apareixerà a la revista Nature el 29 de novembre de 2023. DOI 10.1038/s41586-023-06692-3
Contactes
Oficina de Comunicació de l’IEEC
Barcelona, Espanya
Correu electrònic: comunicacio@ieec.cat
Autor Principal a l’IEEC
Barcelona, Espanya
Juan Carlos Morales
Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)
Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC)
Correu electrònic: morales@ieec.cat
Sobre l'IEEC
L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) promou i coordina la recerca i el desenvolupament tecnològic espacial a Catalunya en benefici de la societat. L’IEEC fomenta les col·laboracions tant a nivell local com mundial, i és un eficient agent de transferència de coneixement, innovació i tecnologia. Com a resultat de més de 25 anys de recerca d’alta qualitat, duta a terme en col·laboració amb les principals organitzacions internacionals, l’IEEC es troba entre els millors centres d’investigació internacionals centrats en àrees com: l’astrofísica, la cosmologia, les ciències planetàries i l’observació de la Terra. La divisió d’enginyeria de l’IEEC desenvolupa instrumentació per a projectes terrestres i espacials, i té una àmplia experiència treballant amb organitzacions privades i públiques del sector aeroespacial així com altres sectors d’innovació.
L’IEEC és una fundació del sector públic sense ànim de lucre, fundada el febrer de 1996. Està regit per un Patronat compost per la Generalitat de Catalunya, la Universitat de Barcelona (UB), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC), i el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). L’IEEC és també un centre CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).