Uma dança harmoniosa no sistema planetário TOI-178

Título: Six transiting planets and a chain of Laplace resonance in TOI-178

Autores: A. Leleu, Y. Alibert, N. C. Hara, M. J. Hooton, T. G. Wilson, P. Robutel, et al.

Instituição do primeiro autor: Observatoire Astronomique de l’Université de Genéve, Suíça

Status: publicado no A&A [acesso aberto]

Embora conheçamos mais de 3500 estrelas que abrigam planetas, sabemos de apenas cerca de 800 com mais de um planeta. O sistema TOI-178 é um exemplo ainda mais raro: contém nada menos que seis planetas! Existem apenas oito outras estrelas com esse número de planetas. Além disso, os planetas nesse sistema apresentam uma ressonância de Laplace (um tipo particular de ressonância que já vamos abordar em mais detalhes), que é encontrada em apenas outros seis sistemas multi-planetários. A ressonância nesses sistemas é um fenômeno interessante porque pode nos fornecer informações valiosas sobre como sistemas planetários se formam e evoluem. Isso torna o TOI-178 muito atrativo para estudos detalhados, então vamos lá!

Obtendo os parâmetros dos planetas

O primeiro passo para caracterizar um planeta é encontrá-lo! Como os autores fizeram isso? Dados da missão Transiting Exoplanet Survey Satellite (algo como Satélite de Pesquisa de Exoplanetas em Trânsito, ou simplesmente TESS) indicaram a presença de trânsitos na curva de luz da estrela central. Após essa evidência inicial, os autores obtiveram dados adicionais com três telescópios: o telescópio espacial CHEOPS, e dois telescópios terrestres, NGTS e SPECULOOS. Os dados iniciais, quando combinados com as observações subsequentes, revelaram a existência de seis planetas com períodos de 1,91, 3,24, 6,55, 9,96, 15,24 e 20,71 dias (planetas b, c, d, e, f e g, respectivamente). Os autores ajustaram modelos de trânsito assumindo órbitas circulares (Figura 1). O modelo de melhor ajuste permite inferir propriedades de cada planeta, como o raio e inclinação da órbita, que afetam a profundidade e forma do trânsito, mas não nos diz nada sobre a massa dos planetas.

A massa pode ser inferida a partir de observações de velocidade radial, já que a atração gravitacional dos planetas sobre a estrela, que faz com que ela se mova ligeiramente, depende da massa dos planetas. Os autores realizaram essas observações com o instrumento ESPRESSO e puderam então estimar a massa (que, combinada com os raios, nos dá a densidade) de cada planeta.

Figura 1: A curva de luz do sistema TOI-178 obtida no setor 2 do TESS. Os pontos cinzas são os dados originais, enquanto os círculos pretos abertos são uma média a cada 30 minutos. A linha sólida preta mostra o modelo de melhor ajuste. A posição dos trânsitos é marcada com as linhas coloridas com os planetas correspondentes indicados pela legenda. Adaptado da Figura 1 do artigo.

Uma dança harmoniosa

Após obterem esses parâmetros, os autores constataram que o sistema possui ressonâncias de movimento médio (RMMs). RMMs são configurações orbitais em que um par de planetas tem períodos orbitais cuja razão é igual ou muito próxima a uma razão de números inteiros. Em outras palavras, se um par de planetas tem uma razão entre períodos orbitais de 2:1, por exemplo, então o planeta externo completa uma órbita exatamente quando o planeta interno completa duas. O sistema TOI-178 tem a seguinte razão de períodos: Pc/Pb≈5/3, Pd/Pc≈2/1, Pe/Pd≈3/2, Pf/Pe≈3/2 e Pg/Pf≈2/1. Quando um par não possui um RMM exato (que é o caso de todos esses pares), é conveniente definir a distância angular até a ressonância exata, que é expressa em termos de “ângulos de ressonância”. Ao obter esses valores, os autores notaram que a derivada temporal dos pares c-d, d-e, e-f e f-g tem aproximadamente o mesmo valor (~1,37°/dia). Isso indica que a diferença entre os ângulos de ressonância para os diferentes pares é praticamente zero. Essa condição leva à presença de ressonância de Laplace: uma ressonância de três corpos onde cada par consecutivo tem um RRM próximo ou exato. A ressonância de Laplace nesse sistema segue uma proporção entre os períodos de 2:4:6:9:12 do planeta c para g, ou 18:9:6:4:3 para as órbitas em si. Em outras palavras, planeta c completa 18 órbitas quando o planeta d completa 9 e assim por diante. Este vídeo do Youtube do ESO mostra a animação das ressonâncias neste sistema. Lindo, não? Uma dança de harmonia.

O que significa essa ressonância para o sistema?

A existência de uma cadeia de ressonâncias parece estabilizar o sistema TOI-178. Veja o planeta f, por exemplo. A Figura 2 mostra que para que o planeta f permaneça estável, a excentricidade deve ser muito pequena. O mesmo mapa também foi produzido para os outros planetas e mostra características similares. Esses resultados indicam que a estabilidade do sistema é altamente dependente da excentricidade, e que a excentricidade zero fornece a solução mais estável para um determinado período. Os picos verdes no mapa são os possíveis RRMs. Eles mostram uma região relativamente estável para excentricidade menor que 0,01.

Os outros mapas de estabilidade que os autores apresentam no artigo levam às mesmas conclusões: os parâmetros orbitais e físicos (e, portanto, as ressonâncias) que os autores obtiveram a partir do ajuste da curva de luz levam a uma solução muito estável para o sistema, pelo menos pelos próximos centenas de milhares de anos.

fig2
Figura 2: Mapa de estabilidade do planeta f em função de sua excentricidade e período. A escala de cores, do vermelho ao preto, indica regiões instáveis a estáveis. A linha branca tracejada mostra o período obtido do planeta f. Esse mapa de estabilidade é produzido assumindo que os demais planetas possuem os parâmetros obtidos a partir do ajuste da curva de luz e das velocidades radiais, além de excentricidade zero. Adaptado do painel superior da Figura 12 no artigo.

Algum planeta habitável?

A zona habitável do TOI-178 está localizada a uma distância de 0,2 unidades astronômicas, ou em um período de aproximadamente 40 dias. Infelizmente, nenhum dos seis planetas encontrados parece estar nessa zona. Mas não há nenhuma razão teórica que limite o número de planetas no sistema. De fato, os autores explicaram que a cadeia RRM não tem motivos para parar no planeta g – pode haver planetas adicionais não detectados. Uma das limitações para detectar planetas adicionais é que o conjunto de dados disponível é limitado. Assim, a realização de observações adicionais cobrindo um maior intervalo de tempo poderia revelar um planeta dentro, ou pelo menos muito próximo, da zona habitável.

Em resumo…

Graças às ressonâncias de Laplace às quais os planetas estão vinculados, o sistema planetário TOI-178 será estável por pelo menos várias centenas de milhares de anos. Embora nenhum de seus planetas esteja na zona habitável da estrela, se a ressonância de Laplace continuar para períodos mais longos, poderia haver um planeta adicional e não detectado muito próximo da zona. Esse interessante sistema planetário provavelmente será um alvo importante em estudos futuros!


Adaptado de Dance of Harmony in Intriguing TOI-178 Multi-planetary System, escrito por Sayyed Ali Rafi.

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