ESA’s exoplaneetmissie Cheops onthult uniek planetenstelsel

De ontdekking van een toenemend aantal planetenstelsels, die niet op ons eigen Zonnestelsel lijken, blijft ons begrip van de vorming en evolutie van planeten verbeteren. Een indrukwekkend voorbeeld is het planetenstelsel TOI-178, zo'n 200 lichtjaren van ons vandaan in de Beeldhouwer-constellatie. 

Astronomen verwachtten al dat deze ster twee of meer exoplaneten zou herbergen nadat ze deze hadden geobserveerd met NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Nieuwe, zeer nauwkeurige waarnemingen met Cheops, ESA's Characterising Exoplanet Satellite die in 2019 werd gelanceerd, laten nu zien dat TOI-178 minstens zes planeten herbergt en dat dit vreemde zonnestelsel een zeer unieke structuur kent. Het team, onder leiding van Adrien Leleu van de Universiteit van Genève en de Universiteit van Bern in Zwitserland, heeft de resultaten vandaag gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics

Een van de bijzondere eigenschappen van het systeem TOI-178 die de wetenschappers met Cheops hebben kunnen ontdekken, is dat de planeten - behalve de planeet die het dichtst bij de ster staat - een ritmische dans volgen als deze zich in hun banen bewegen. Dit verschijnsel heet orbitale resonantie, en houdt in dat er patronen zijn die zich herhalen terwijl de planeten rond de ster draaien, waarbij sommige planeten om de paar draaiingen op één lijn komen te staan.

Een soortgelijke resonantie wordt waargenomen in de banen van drie manen van Jupiter: Io, Europa en Ganymedes. Voor iedere draaiing van Europa maakt Ganymedes twee draaiingen, en Io maakt er vier (dit is een 4:2:1 patroon).  

In het TOI-178 systeem, is de resonante beweging veel complexer aangezien er vijf planeten bij betrokken zijn, die een 18:9:6:4:3 patroon volgen. Terwijl de tweede planeet van de ster (de eerste van het patroon) 18 draaiingen voltooit, voltooit de derde planeet van de ster (tweede van het patroon) negen draaiingen, enzovoorts.

Aanvankelijk ontdekten de wetenschappers dat er slechts vier van de planeten in resonantie waren, maar door het patroon te volgen berekenden zij dat er nog een planeet in het systeem moest zijn (de vierde die het patroon volgt, de vijfde planeet vanaf de ster).

“Wij voorspelden het traject zeer nauwkeurig door te veronderstellen dat deze in resonantie was met de overige planeten,” legt Adrien uit. Een extra observatie met Cheops bevestigde dat de ontbrekende planeet zich inderdaad bevond in de voorspelde baan. 

Nadat zij de zeldzame opstellingen van de banen hadden ontdekt, waren de wetenschappers benieuwd of de dichtheden (grootte en massa) van de planeten ook een ordelijk patroon volgden. Om dit te onderzoeken combineerden Adrien en zijn team gegevens van Cheops met waarnemingen van grondtelescopen van de European Southern Observatory’s (ESO) Paranal Observatory in Chili.

Hoewel de planeten in het TOI-178 systeem op een zeer ordelijke manier rond hun ster draaien, volgen hun dichtheden geen bepaald patroon. Een van de exoplaneten, een dichte, aardse planeet zoals de aarde, ligt vlak naast een even grote en pluizige planeet - zoals een kleine Jupiter, en daarnaast ligt een planeet die erg op Neptunus lijkt.

“Dit is niet wat we verwacht hadden, en het is de eerste keer dat we zo'n opstelling in een planetenstelsel waarnemen,” zegt Adrien. “In de weinige systemen die we kennen waar de planeten in dit resonantieritme ronddraaien, nemen de dichtheden van de planeten geleidelijk af naarmate we ons verder van de ster verwijderen, en dat is ook wat we op grond van de theorie verwachten.”

Catastrofale gebeurtenissen zoals reusachtige inslagen zouden de grote variaties in de dichtheden van de planeten kunnen verklaren, maar het TOI-178 systeem zou niet zo evenwichtig zijn als dit het geval zou zijn geweest.  

“De draaiingen in dit systeem zijn zeer goed geordend, wat ons vertelt dat dit systeem sinds de geboorte vrij rustig geëvolueerd is,” legt co-auteur Yann Alibert uit van de Universiteit van Bern.

De ontdekking van de complexe structuur van het TOI-178 systeem, die de huidige theorieën over planeetvorming op de proef stelt, werd mogelijk gemaakt dankzij bijna 12 dagen waarnemingen van Cheops (11 dagen onafgebroken waarnemingen, plus twee kortere waarnemingen).

“Het oplossen van deze spannende puzzel vergde nogal wat planning, met name het plannen van de 11-daagse continue waarneming die nodig was om de karakteristieken van de verschillende planeten te achterhalen,” zegt ESA Cheops-projectwetenschapper Kate Isaak. “Deze studie laat heel goed zien wat het vervolgpotentieel van Cheops is - niet alleen om bekende planeten beter te karakteriseren, maar ook om nieuwe planeten op te sporen en te valideren.”

Adrien en zijn team willen Cheops blijven gebruiken om het TOI-systeem nog grondiger te bestuderen.

“We zouden meer planeten kunnen vinden die zich in de bewoonbare zone zouden kunnen bevinden – waar vloeibaar water aanwezig zou kunnen zijn op het oppervlak van een planeet – die begint buiten de banen van de planeten die we tot nu toe hebben ontdekt,” zegt Adrien. “We willen ook uitzoeken wat er gebeurd is met de binnenste planeet die niet in resonantie is met de andere. We vermoeden dat deze uit de resonantie is gebroken door getijdenkrachten.”

Astronomen zullen Cheops gebruiken om honderden bekende exoplaneten te observeren die om heldere sterren draaien.

“Cheops zal niet alleen ons begrip van de vorming van exoplaneten vergroten, maar ook dat van onze eigen planeet en het Zonnestelsel,” voegt Kate toe.

Opmerkingen voor de redactie

‘Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178’ by A. Leleu et al. verschijnt in Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202039767

Meer over Cheops

Cheops is een ESA-missie die is ontwikkeld in samenwerking met Zwitserland, met een speciaal consortium onder leiding van de Universiteit van Bern, en met belangrijke bijdragen van Oostenrijk, België, Frankrijk, Duitsland, Hongarije, Italië, Portugal, Spanje, Zweden en het VK. 

ESA is de architect van de Cheops-missie en is verantwoordelijk voor de aanbesteding en het testen van de satelliet, de lancering en de vroege operationele fase, de inbedrijfstelling in de omloopbaan en het Guest Observers' Programme. Wetenschappers wereldwijd hebben de mogelijkheid om via dit programma een aanvraag in te dienen om waarnemingen met Cheops te verrichten. Het consortium van 11 ESA-lidstaten onder leiding van Zwitserland heeft essentiële onderdelen van de missie geleverd. De hoofdcontractant voor het ontwerp en de bouw van het ruimtevaartuig is Airbus Defence and Space in Madrid, Spanje. 

Het consortium van de Cheops-missie beheert het Mission Operations Centre, gevestigd bij INTA, in Torrejón de Ardoz bij Madrid, Spanje, en het Science Operations Centre, gevestigd in de Universiteit van Genève, Zwitserland.

Voor meer informatie: https://www.esa.int/Cheops

Voor verdere informatie, gelieve contact op te nemen met:

Adrien Leleu
Center for Space and Habitability and NCCR PlanetS, University of Geneva and University of Bern
Email: adrien.leleu@unige.ch

Kate Isaak
ESA Cheops-projectwetenschapper
E-mail: kate.isaak@esa.int

ESA Media Relations
E-mail: media@esa.int