Ritka, hatbolygós rendszer feltérképezését segítette az ESA Cheops-űrtávcsöve, a felfedezéshez magyar kutatók munkája is hozzájárult

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).

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.