Hat planétából álló ritka bolygórendszert sikerült feltérképezni az Európai Űrügynökség (ESA) Cheops (CHaracterising ExOPlanet Satellite) űrtávcsövének adatait is felhasználva. A felfedezés azért különösen érdekes, mert a bolygók pályái azt jelzik, hogy a kialakulása óta eltelt több mint egymilliárd évet a rendszer gyakorlatilag változatlan állapotban töltötte. Az ESA Cheops-űrtávcsöve kulcsfontosságú adatokat szolgáltatott a kutatókat évek óta zavarba ejtő rejtélyes exobolygórendszer megértéséhez. Az eredményeket bemutató szakcikk a rangos Nature magazinban jelent meg.
A HD110067 katalógusjelű csillag nagyjából 100 fényévre van tőlünk, az északi éggömbön, a Bereniké Haja (Coma Berenices) csillagképben figyelhető meg, tömege és sugara is a Napénak kb. 80%-a. A NASA TESS űrtávcsöve (Transiting Exoplanet Survey Satellite) 2020-ban olyan csökkenéseket észlelt a csillag fényességében, amelyek arra utaltak, hogy bolygók haladtak át a csillag korongja előtt. Az előzetes elemzés két lehetséges bolygót mutatott ki. Az egyik csillag körüli keringési periódusa 5,642 napnak adódott, a másikét azonban akkor még nem tudták meghatározni.
Két évvel később a TESS újra észlelte a csillagot. A korábbi és az új adatok együttes elemzése kizárta az eredeti értelmezést, helyette két másik, az első magyarázatban szereplőktől különböző bolygó létezését valószínűsítette. Bár ezek a detektálások az elsőknél sokkal kevésbé voltak bizonytalanok, a TESS adataiból sok minden még mindig nem volt érthető. Ekkor kezdtek el érdeklődni a jelenség iránt Rafael Luque (University of Chicago) és kollégái.
„Ekkor döntöttünk úgy, hogy a Cheopsszal is megvizsgáljuk a rendszert. A bolygók összes elképzelhető periódusának megfelelő jeleket kerestünk az adatokban" – eleveníti fel Rafael a kezdeti lépéseket.
Erőfeszítéseik eredményesnek bizonyultak. Sikerült a rendszerben egy harmadik bolygó jelenlétét is megerősíteniük, miközben megtalálták a kulcsot is a rendszer értelmezéséhez, mivel egyértelmű volt, hogy a három bolygó úgynevezett rezonáns pályákon kering a rendszerben. A legkülső planéta 20,519 nap alatt teljesít egy kört a csillaga körül, ami nagyon közel van a következő bolygó 13,673 napos keringési periódusának másfélszereséhez. Ez pedig szintén majdnem pontosan 1,5-szerese a belső bolygó 9,114 napos periódusának.
További pályarezonanciák előrejelzése és a fennmaradó megmagyarázatlan adatokkal történő összevetése lehetővé tette a csapat számára, hogy felfedezze a rendszer másik három bolygóját is. „A Cheops feltárta előttünk azt a rezonáns konfigurációt, amelynek ismeretében megjósolhattuk a többi keringési periódust. A Cheops észlelései nélkül ez lehetetlen lett volna" – magyarázza Rafael.
A rezonáns bolygórendszerek azonosítása rendkívüli jelentőségű, mivel a rendszerek kialakulásáról és a közvetlenül azt követő időszak fejlődéséről árulnak el fontos információkat a kutatóknak. Úgy tűnik, a bolygók leginkább rezonáns pályákon keletkeznek a csillagok körül, ám nagyon könnyen elhagyhatják azokat a legkisebb zavarok (perturbációk) hatására is. Például egy nagyon nagy tömegű bolygó, a közelben elhaladó másik csillag vagy akár egy hatalmas becsapódási esemény is könnyen véget vethet a kényes egyensúlynak. A csillagászok sok több bolygóból álló rendszert ismernek, amelyekben ma már nem áll fenn a rezonancia, de a keringési periódusok olyanok, hogy a múltban valamikor ez lehetett a helyzet. A rezonanciaállapotot sokáig megőrző bolygórendszerek azonban ritkák.
„Úgy véljük, hogy az összes rendszernek csak körülbelül egy százaléka marad rezonanciaállapotban" – folytatja Rafael. Ezért is különleges és további vizsgálatokra érdemes rendszer a HD110067. „A bolygórendszer máig változatlan, ősi állapotát mutatja nekünk."
Az ESA Cheops-kutatásokban részt vevő egyik kutatója, Maximilian Günther megfogalmazása szerint a Cheops kiemelkedő felfedezéseket tesz már-már hétköznapivá. Három olyan rezonáns bolygórendszer ismert csupán, amelyben hat planéta van, és ebből kettőt a Cheopsnak köszönhetünk, ráadásul mindössze háromévnyi működés után.
Kiss László, a Cheops-konzorcium tudományos irányító testületének magyar tagja szerint: „A Cheops új felfedezése fényesen igazolja, hogy a jó 10 évvel ezelőtt megfogalmazott működési elv, az égen szinte bármikor, bárhova irányítható ultrapontos űrfotométer koncepciója kiválóan működik. Az amerikai TESS-űrtávcső által talált egzotikus rendszer valódi természetét soha nem ismerhettük volna meg a Cheops rugalmas és célpontokhoz alkalmazkodó adatgyűjtése nélkül."
A HD110067 a legfényesebb csillag, amely körül legalább négy bolygó kering. Mivel ezek mindegyike a Neptunusznál kisebb méretű, és valószínűleg kiterjedt légkörük van, ezért ideális célpontok a NASA/ESA/CSA James Webb-űrtávcső és az ESA jövőbeli Ariel- és Plato-űrteleszkópjai számára, amelyekkel a bolygók légkörének összetételét is tanulmányozhatják majd.
Publikáció:
A resonant sextuplet of sub-Neptunes transiting the bright star HD 110067, Nature Journal
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06692-3
A Rafael Luque által vezetett szerzőgárda tagjai között magyar kutatók is vannak, ABC-sorrendben: Bárczy Tamás (ADMATIS Kft., Miskolc), Csizmadia Szilárd (Institut für Planetenforschung, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Berlin), Kiss László (HUN-REN Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont, Budapest), Simon Attila (Abteilung für Weltraumforschung und Planetologie, Physikalisches Institut, Universität Bern, Bern) és Szabó M. Gyula (ELTE Gothard Asztrofizikai Obszervatórium, Szombathely).
A HD110067 rendszerének rezonáns bolygópályái. A jobb oldali kis ábrák páronként mutatják be a kölcsönös rezonanciákat úgy, hogy bizonyos időfelbontással felülnézetből ábrázolják a keringő planétákat, amelyeket ezen időpontokban különböző színű vonalak össze is kötnek. A bal oldali nagy ábra ugyanezt mutatja mindegyik rezonanciapárral együtt. (Thibaut Roger (NCCR PlanetS))
A hat bolygó pálya menti mozgása a c jelű bolygó egy éve alatt. A nagyon pontos keringési rezonanciák miatt a bolygópályák között erős csatolás van. Míg a c jelű bolygó egyszer járja körbe a HD110067 csillagot, azaz éppen egy teljes, 360°-os körívet fut be, a b jelű bolygó 540°-os, a d jelű 240°-os, az e jelű 160°-os, az f jelű 120°-os, a g jelű pedig 90°-os ívet teljesít. (Hugh Osborn (Universität Bern))
Hattagú, harmonikus ritmusban mozgó exobolygórendszert tárt fel a Cheops
Ritka, hat exobolygóból álló rendszert sikerült feltárni az ESA Cheops-űrtávcsövének segítségével. A bolygócsalád mindegyik tagja kisebb a Neptunusznál, a HD110067 jelű csillaguk körüli keringőjük üteme pedig hihetetlenül pontos. Mialatt a csillaghoz legközelebbi bolygó három keringést végez, a második planéta kétszer járja körbe a csillagot. Azt mondjuk, hogy keringési idejük 3:2 arányú rezonanciában van. A hat bolygó ebben az értelemben rezonancialáncot alkot, mégpedig 3:2, 3:2, 3:2, 4:3 és 4:3 arányú páronkénti rezonanciákkal, ami azt jelenti, hogy a legkülső bolygó egyetlen keringése alatt a legbelső hatszor is körbeér a csillag körül. A Cheops adatai alapján a rendszer harmadik bolygójának keringési periódusát lehetett megerősíteni, ami kulcsfontosságú momentumnak számított az egész rendszer ritmusának felismerésében. Ez a második olyan bolygórendszer, amely pályarezonanciáinak feltárásában szerepet játszott a Cheops. Az első a TOI-178 jelű rendszer. (ESA)
A HD110067 jelű csillag hat rezonáns bolygójának pályáit méretarányos ábrázolással bemutató animáció. Mindegyik bolygó a csillag korongja előtti áthaladásakor (lefelé – felénk – mutató sárga nyíl) egy-egy hang csendül fel, amelyek frekvenciája követi az egymást követő bolygók keringési frekvenciáiban mutatkozó rezonanciát. A feliratok a bolygók felfedezéséről szolgáltatnak információt. Az animáció háttere az a TESS-mező (NASA/MIT/TESS és Ethan Kruse), közepén a HD110067-tel, amely alapján először merült fel, hogy a csillag körül bolygók keringenek. A bolygók bal oldalon látható relatív méretei pontosak, a csillaghoz viszonyított méreteik azonban természetesen sokkal kisebbek ennél. (Animáció, zene, feliratok: Hugh Osborn (Universität Bern))
Az eredeti ESA-sajtóközlemény itt érhető el.