De eerste keer dat het onderzoeksteam TOI-178 – een ster op ongeveer 200 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Sculptor (Beeldhouwer) – waarnam, dachten de wetenschappers dat ze twee planeten hadden ontdekt die in dezelfde baan om de ster draaiden. Maar bij nadere inspectie bleek het iets heel anders te zijn. ‘Vervolgwaarnemingen leerden ons dat er niet twee planeten op ongeveer dezelfde afstand om de ster cirkelen, maar dat het om meer planeten in een heel specifieke configuratie gaat’, zegt Adrien Leleu van de Universiteiten van Genève en Bern (Zwitserland), die leiding gaf aan een nieuw onderzoek van het stelsel, waarvan de resultaten vandaag in Astronomy & Astrophysics zijn gepubliceerd.
Het nieuwe onderzoek heeft uitgewezen dat het stelsel zes planeten telt en dat deze, op de binnenste planeet na, zijn verstrikt in een ritmische dans. Met andere woorden: ze zijn in resonantie. Dit betekent dat er telkens terugkerende patronen te zien zijn in de bewegingen van de planeten rond de ster, waarbij sommige planeten om de paar omlopen op één lijn komen te staan. Een vergelijkbare resonantie is waarneembaar bij drie van de manen van de planeet Jupiter: Io, Europa en Ganymedes. De binnenste van de drie voltooit vier volledige omlopen om Jupiter in de tijd dat de buitenste, Ganymedes, er één volbrengt, en twee omlopen in de tijd dat Europa er één voltooit.
De vijf buitenste planeten van het TOI-178-stelsel volgen een veel ingewikkeldere resonantieketen, een van de langste die tot nu toe bij een planetenstelsel zijn ontdekt. Waar de drie Jupitermanen in een resonantie van 4:2:1 verkeren, vormen de vijf buitenste planeten van TOI-178 een keten van 18:9:6:4:3. In de tijd dat de tweede planeet vanaf de ster (de eerste in de resonantieketen) achttien omlopen volbrengt, volbrengt de derde planeet vanaf de ster (tweede in de keten) er negen, enzovoort. Het is zelfs zo dat de wetenschappers aanvankelijk slechts vijf planeten in het stelsel hadden ontdekt, en de zesde planeet pas wisten op te sporen toen ze op basis van dit resonantie-ritme hadden berekend waar deze extra planeet zich tijdens hun volgende waarnemingssessie zou moeten bevinden.
Deze dans van resonerende planeten is meer dan een curiositeit: hij verschaft informatie op het verleden van dit stelsel. ‘De banen van dit stelsel zijn heel netjes geordend, wat ons vertelt dat het stelsel sinds zijn ontstaan in alle rust is geëvolueerd’, zegt medeauteur Yann Alibert van de Universiteit van Bern. Als het stelsel eerder in zijn bestaan duidelijk verstoord zou zijn geweest, bijvoorbeeld door een grote inslag, zou deze kwetsbare configuratie van banen dit niet hebben overleefd.
Wanorde in het ritmische stelsel
Waar de rangschikking van de planeetbanen netjes geordend is, zijn de dichtheden van de planeten ‘veel minder op elkaar afgestemd’, zegt Nathan Hare van de Universiteit van Genève, die ook bij het onderzoek betrokken was. ‘Het lijkt erop dat een planeet met de dichtheid van de aarde wordt gevolgd door een heel ‘donzige’ planeet met de halve dichtheid van Neptunus, en die weer door een planeet met de dichtheid van Neptunus. Dat is niet wat we gewend zijn.’ In ons zonnestelsel bijvoorbeeld zijn de planeten netjes op dichtheid gesorteerd: de rotsachtige dichtere planeten bevinden zich dicht bij de centrale ster (de zon), de gasplaneten met lage dichtheid verder naar buiten. ‘Dit contrast tussen de ritmische harmonie van de baanbewegingen en de wanordelijke dichtheden stelt ons begrip van de vorming en evolutie van planetenstelsels danig op de proef,’ zegt Leleu.
Combinatie van technieken
Bij hun onderzoek van de ongebruikelijke architectuur van dit planetenstelsel heeft het team gebruik gemaakt van gegevens van de CHEOPS-satelliet van het Europese ruimteagentschap ESA, van het ESPRESSO-instrument van ESO’s VLT, en van NGTS en SPECULOOS, die beide op de ESO-sterrenwacht in Chili zijn gestationeerd. Omdat exoplaneten zich maar heel moeilijk rechtstreeks laten waarnemen met telescopen, moeten astronomen andere technieken gebruiken om ze op te sporen. De belangrijkste methoden zijn het vastleggen van planeetovergangen of transits, die ertoe leiden dat het licht van de moederster periodiek zwakker wordt, en het meten van radiale snelheden, die tot uiting komen in kleine variaties in het lichtspectrum van de ster die door de verplaatsing van de planeten in hun omloopbanen worden veroorzaakt. Bij het onderzoek van het TOI-178-stelsel heeft het team beide methoden gebruikt: CHEOPS, NGTS en SPECULOOS voor het waarnemen van transits en ESPRESSO voor het meten van radiale snelheden. Door deze twee technieken met elkaar te combineren, konden de astronomen belangrijke informatie over het stelsel en zijn planeten, die op veel kleinere afstanden om hun moederster draaien dan de aarde om de zon, te verzamelen.
De snelste (en binnenste) planeet doet slechts een paar dagen over een omloop om zijn ster, de traagste ongeveer tien keer zo lang. In afmetingen lopen de zes planeten uiteen van één tot driemaal de aarde, terwijl hun massa’s anderhalve tot dertig aardmassa’s bedragen. Sommige van de planeten zijn rotsachtig, maar groter dan de aarde: zulke planeten worden superaardes genoemd. Andere zijn gasplaneten, zoals de buitenste planeten van ons zonnestelsel, maar dan veel kleiner. Deze worden ook wel mini-Neptunussen genoemd. Hoewel geen van de zes ontdekte exoplaneten zich binnen de ‘leefbare zone’ van zijn ster bevindt, achten de onderzoekers het mogelijk dat ze, door de resonantieketen door te trekken, nog planeten kunnen opsporen die zich in of nabij deze zone bevinden. ESO’s Extremely Large Telescope (ELT), die in de loop van dit decennium in bedrijf zal komen, zal in staat zijn om rechtstreekse opnamen te maken van rotsachtige planeten in de leefbare zone van een ster, en kan zelfs hun atmosferen onderzoeken. Dat biedt de mogelijkheid om stelsels als TOI-178 nog gedetailleerder te leren kennen.
Bron: ESO
