Las órbitas rítmicas de un sistema de 6 exoplanetas desconcierta a los científicos

5 de los 6 planetas que giran en torno a la estrella TOI-178 están en resonancia, es decir, muestran patrones repetitivos según orbitan a su alrededor y se alinean cada pocas vueltas.

Representación de las órbitas en resonancia de TOI-178

Representación de las órbitas en resonancia de TOI-178

Foto: ESO/L. Calçada

La primera vez que el equipo de Adrien Leleu, de la Universidades de Ginebra y Berna, en Suiza, observó TOI-178, una estrella situada a unos 200 años luz de distancia en la constelación del Escultor, pensaron que habían visto dos planetas girando alrededor del astro en una misma órbita. Sin embargo, una mirada más cercana reveló algo completamente diferente. “En observaciones posteriores nos dimos cuenta de que no había dos planetas orbitando la estrella aproximadamente a la misma distancia de ella, sino más bien varios planetas en una configuración muy especial”, declara Leleu cuya investigación se publica esta semana en la revista especializada Astronomy & Astrophysics.

En el artículo, titulado Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178 se describe un sistema con seis exoplanetas donde todos menos el más cercano a la estrella están acompasados en una danza rítmica mientras se desplazan en sus órbitas; en otras palabras, están en resonancia. Esto significa que a medida que dichos planetas giran alrededor de la estrella repiten patrones en los cuales varios de ellos se alinean cada pocas orbitas. El fenómeno no es del todo nuevo, ya que podemos observar una resonancia similar entre las órbitas de Io, Europa y Ganímedes, tres de las mayores lunas de Júpiter. En este caso Ío, el satélite más cercano de los tres al gigante gaseoso, completa cuatro órbitas alrededor de Júpiter por cada una que realiza Ganímedes, la más lejana, y por cada dos de Europa.

“Las órbitas están muy bien ordenadas, lo que nos dice que el mismo ha evolucionado con bastante suavidad desde su nacimiento”

Los cinco exoplanetas externos del sistema TOI-178, no obstante, siguen una cadena de resonancia mucho más compleja; de hecho una de las más largas descubiertas hasta ahora en un sistema planetario. Mientras que las tres lunas de Júpiter están en una resonancia de 4: 2: 1, los cinco planetas exteriores en el sistema TOI-178 siguen un patrón de 18: 9: 6: 4: 3. Esto significa que mientras que el segundo planeta de la estrella (el primero en la cadena de resonancia) completa 18 órbitas, el tercer planeta de la estrella (segundo en la cadena) completa 9, y así sucesivamente.

Puede resultar una simple curiosidad orbital, pero más allá de lo peculiar del sistema, la danza resonante de planetas alrededor de TOI-178 proporciona algunas pistas sobre el pasado del sistema. “Las órbitas están muy bien ordenadas, lo que nos dice que el mismo ha evolucionado con bastante suavidad desde su nacimiento”, explica el Yann Alibert profesor de la Universidad de Berna y coautor del estudio. "Si el sistema hubiera sido perturbado significativamente en algún momento de su vida, por ejemplo por el impacto un gran objeto espacial, esta frágil configuración de órbitas no habría sobrevivido", añade.

Júpiter y sus lunas

Júpiter y sus lunas

En la imagen de la izquierda, Calisto e Io dispuestas de izquierda a derecha proyectan sus sombras sobre Júpiter. En la imagen de la izquierda, 42 minutos después, aparece Europa en el margen izquierdo. 

Foto: NASA / ESA / The Hubble Heritage Team

Un doble enigma

"Si la configuración de las órbitas en resonancia de estos 6 exoplanetas resulta excepcional, más excepcional aún es su densidad", explicaNathan Hara, otro de los científicos a cargo de la investigación. "Tenemos 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 algo a lo que estamos acostumbrados!".

En nuestro Sistema Solar, por ejemplo, los planetas están ordenados por densidad: los planetas rocosos y más densos de hallan más cerca del Sol y los planetas gaseosos y de baja densidad más lejos". “Este contraste entre la armonía rítmica del movimiento orbital y las densidades desordenadas desafía aún más nuestra comprensión de la formación y evolución de los sistemas planetarios”, añade Leleu.

Para tratar de comprender arquitectura inusual del sistema, el equipo se valió de los datos del satélite CHEOPS de la Agencia Espacial Europea, el instrumento ESPRESSO del Very Large Telescope; y de los telescopios NGTS y SPECULOOS, ambos ubicados en el Observatorio Paranal de ESO en Chile.

Dado que los exoplanetas son extremadamente difíciles de detectar directamente con telescopios, los astrónomos deben confiar en otras técnicas como la de los tránsitos planetarios o las velocidades radiales para detectarlos. El equipo utilizó ambos métodos para observar el sistema: CHEOPS, NGTS y SPECULOOS para las primera y ESPRESSO para la segunda. Al combinar las dos técnicas, los astrónomos pudieron recopilar información clave del sistema de planetas, los cuales orbitan su estrella central mucho más cerca y rápido que la Tierra orbita al Sol.

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Por ejemplo, el más rápido de ellos, el más interno, completa una órbita en torno a TOI-178 en solo un par de días, mientras que el más lento tarda unas diez veces más. Los seis planetas tienen tamaños de entre uno y tres veces el tamaño de la Tierra, mientras que sus masas oscilan entre de 1,5 y 30 su masa. Algunos de los planetas son rocosos, pero más grandes que la Tierra; las conocidas como Super-Tierras; otros son planetas gaseosos como los planetas exteriores de nuestro Sistema Solar, aunque mucho más pequeños, los llamados Mini-Neptunos.

Aunque ninguno de los seis exoplanetas encontrados se encuentra en la zona habitable de la estrella, los investigadores sugieren que la cadena de resonancia podría proporcionar las pistas necesarias para encontrar planetas adicionales que podrían ocupar un lugar más alejado del centro de la estrella e incluso estar situados en su zona habitable, para lo que el Extremely Large Telescope -ELT-, el cual comenzará a operar esta década, podría resultar clave.

"El ELT podrá obtener imágenes directamente de exoplanetas rocosos en la zona habitable de una estrella e incluso caracterizar sus atmósferas"; declaran los autores. La oportunidad de conocer sistemas como TOI-178 en mayor detalle, es solo una pequeña cuestión de tiempo.

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