La extraña danza y densidad de un sistema de exoplanetas desconcierta a los astrónomos

Representación artística del sistema de seis planetas (uno en primer plano) de la estrella TOI-178. / ESO / L.Calçada / spaceengine.org

La primera vez que un equipo internacional de astrónomos observó TOI-178, una estrella a unos 200 años luz de distancia situada en la constelación de Sculptor, pensaron que habían visto dos planetas rodeándola. Sin embargo, al investigarlo más en profundidad comprobaron que tenía más: contaba con seis exoplanetas, cinco de los cuales ‘bailaban’, además, un extraño compás.

Cinco de los seis exoplanetas que orbitan alrededor de la estrella TOI-178 lo hacen con una resonancia 18:9:6:4:3, lo que significa que mientras uno completa 18 vueltas, otro da 9 y así sucesivamente

“Nos dimos cuenta de que había múltiples planetas en una configuración muy especial”, dice Adrien Leleu, de la Universidad de Ginebra y la Universidad de Berna (Suiza), quien ha dirigido un nuevo estudio sobre este sistema planetario publicado esta semana en la revista Astronomy & Astrophysics.

Los autores han revelado que cinco de los seis exoplanetas (todos menos el más cercano a la estrella) son prisioneros de una rítmica danza mientras se mueven en sus órbitas. En otras palabras, están en resonancia. Esto significa que hay patrones que se repiten a medida que los planetas orbitan, haciendo que algunos se alineen cada pocas vueltas.

‘Escuchar’ las resonancias

Para visualizar y ‘escuchar’ el movimiento rítmico de los planetas alrededor de la estrella central, los autores lo han representado a través de una armonía musical. Se atribuye una nota a cada planeta y suena cuando cada uno completa una órbita entera o media. Los planetas alineados en esos puntos se escuchan en resonancia.

Una resonancia similar se observa en las órbitas de tres de las lunas de Júpiter: Ío, Europa y Ganímedes. Ío, el más cercano de los tres a Júpiter, completa cuatro órbitas alrededor de Júpiter para cada órbita de Ganímedes, la más lenta, y dos órbitas completas por cada órbita de Europa. Sin embargo, los cinco exoplanetas exteriores del sistema TOI-178 siguen una cadena de resonancia mucho más compleja, una de las más largas descubiertas hasta ahora en un sistema de planetas.

“Parece que hay un planeta tan denso como la Tierra al lado de un planeta muy esponjoso, seguido de un planeta con la densidad de Neptuno: no es a lo que estamos acostumbrados”, comenta uno de los investigadores

Mientras que las tres lunas de Júpiter están en una resonancia de 4:2:1, los cinco planetas exteriores del sistema TOI-178 siguen una cadena de 18:9:6:4:3. Esto implica que en el tiempo que el segundo planeta de la estrella (el primero en la cadena de resonancia) completa 18 órbitas, el tercer planeta (segundo en la cadena) completa 9 órbitas, y así sucesivamente.

De hecho, inicialmente los científicos sólo encontraron cinco planetas en el sistema, pero siguiendo este ritmo resonante calcularon dónde podría haber otro planeta adicional para buscarlo en cuando dispusieran de una ventana de observación.

Más que una curiosidad orbital, esta danza de planetas resonantes proporciona pistas sobre el pasado del sistema. “Las órbitas de este sistema están muy bien ordenadas, lo que nos dice que este sistema ha evolucionado de una forma suave desde su nacimiento”, explica el coautor Yann Alibert de la Universidad de Berna.

Si el sistema hubiera sufrido perturbaciones importantes en los momentos iniciales de su formación, por ejemplo, por un gran impacto, esta frágil configuración de órbitas no habría sobrevivido.

Desorden en las densidades

Aunque la disposición de las órbitas sea clara y bien ordenada, las densidades (tamaño y masa) de los planetas “son mucho más desordenadas”, afirma el coautor Nathan Hara de la Universidad de Ginebra (Suiza), que añade: “Parece que hay un planeta tan denso como la Tierra justo al lado de un planeta muy esponjoso, con la mitad de la densidad de Neptuno, seguido de un planeta con la densidad de Neptuno. No es a lo que estamos acostumbrados”.

Los autores creen que este sistema podría proporcionar pistas importantes sobre cómo los planetas, incluidos los del sistema solar, se forman y evolucionan

En nuestro sistema solar, por ejemplo, los planetas están perfectamente dispuestos, con los planetas rocosos y más densos más cerca de la estrella central y los esponjosos planetas gaseosos de baja densidad más alejados.

Según Leleu, “este contraste entre la armonía rítmica del movimiento orbital y las densidades desordenadas desafía sin duda nuestra comprensión de la formación y evolución de los sistemas planetarios”.

Los investigadores creen que este sistema podría proporcionar pistas importantes sobre cómo los planetas, incluidos los del sistema solar, se forman y evolucionan.

Observación desde tierra y el espacio

Para estudiar la inusual arquitectura del sistema, el equipo utilizó datos del satélite CHEOPS de la Agencia Espacial Europea (ESA), junto con el instrumento ESPRESSO, instalado en el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO), así como los telescopios NGTS y SPECULOOS, ambos situados en el Observatorio Paranal en Chile.

Como los exoplanetas son extremadamente difíciles de detectar directamente con telescopios, los astrónomos usan otras técnicas. Los dos principales métodos son los tránsitos por imágenes (observando la luz emitida por la estrella central, que se atenúa cuando un exoplaneta pasa delante de ella al observarla desde la Tierra) y las velocidades radiales (mirando el espectro de luz de la estrella en busca de pequeños signos de bamboleos que ocurren a medida que los exoplanetas se mueven en sus órbitas).

En este caso, el equipo utilizó ambos métodos para observar el sistema: CHEOPS, NGTS y SPECULOOS para tránsitos y ESPRESSO para velocidades radiales.

Mediante la combinación de las dos técnicas, los científicos fueron capaces de recopilar información clave sobre el sistema y sus planetas, que orbitan su estrella central mucho más cerca y mucho más rápido de lo que la Tierra orbita el Sol. El más rápido (el planeta más interior) completa una órbita en sólo un par de días, mientras que el más lento tarda unas diez veces más.

Los seis planetas tienen tamaños que van desde aproximadamente uno hasta unas tres veces el tamaño de la Tierra, mientras que sus masas son de 1,5 a 30 veces la de nuestro planeta. Algunos de los exoplanetas son rocosos, pero más grandes que la Tierra (apodadas supertierras). Otros son gaseosos, como los planetas exteriores de nuestro sistema solar, pero mucho más pequeños (minineptunos).

Aunque ninguno de los seis exoplanetas encontrados se encuentra en la zona habitable de la estrella, los investigadores, entre los que figuran algunos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), sugieren que podrían encontrar en el futuro más planetas en esa región o muy cerca. El futuro Telescopio Extremadamente Grande (ELT) de ESO, que comenzará a funcionar esta década, podría ayudar en esta tarea.

El satélite espacial Cheops y otros instrumentos en tierra han revelado un sistema planetario único. / ESA/Cheops Mission Consortium/A. Leleu et al.

Referencia:

A. Leleu et al.“Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178”. Astronomy & Astrophysics, 2021.