El sistema TOI-178 y su cadena de resonancia

La estrella TOI-178, que está situada a unos 200 años luz de distancia en dirección a la constelación de Escultor, no es una estrella cualquiera. Tiene al menos 6 planetas a su alrededor que cumplen una característica que los hace muy particulares. Cinco de ellos están sometidos a una cadena de resonancia que hace que parezcan realizar cierto baile. De hecho, es una de las cadenas de resonancia más complejas que se conocen.

El conjunto exoplanetario de TOI-178 fue analizado por un equipo de científicos liderado por Adrien Leleu, investigador en las universidades de Berna y Ginebra (Suiza). Se emplearon dos métodos:

• Por un lado se usó el método del tránsito con datos obtenidos con CHEOPS (Characterising Exoplanets Satellite) de la ESA y con los telescopios NGTS (Next-Generation Transit Survey) y SPECULOOS (Search for habitable Planets Eclipsing Ultra-cool Stars), ambos de ESO.
• Por otro lado se usó el método de las velocidades y para ello se utilizó el instrumento ESPRESSO (Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations) del VLT (Very Large Telescope) de ESO.

Una segunda opinión en TOI-178

Antes de hablar de la cadena de resonancia a la que obedecen cinco de los seis planetas del sistema TOI-178, una pequeña apreciación. Cabe destacar que la primera vez que el sistema fue observado por el equipo de científicos pensaron que habían visto dos planetas rodeándo la estrella en la misma órbita. Aquello tenía poco sentido y al observar el sistema con más detenimiento apreciaron algo totalmente diferente.

«Nos dimos cuenta de que no había dos planetas orbitando la estrella a aproximadamente la misma distancia de ella, sino más bien múltiples planetas en una configuración muy especial», afirma Leleu. A raíz de esas observaciones se llevó a cabo una investigación que ha sido publicada en la revista Astronomy & Astrophysics. Ha revelado que el sistema cuenta con seis exoplanetas y que todos, excepto el más cercano a la estrella, forman parte de esa rítmica danza de la cadena de resonancia (Leleu, 2021).

TOI-178 y su resonancia orbital

Que los planetas estén en resonancia significa que hay patrones que se repiten a medida que los planetas se mueven alrededor de la estrella. Esto no es algo exclusivo de este sistema exoplanetario. De hecho se conocen resonancias en nuestro sistema solar. Una de las más claras está en los satélites Ío, Europa y Ganímedes. Se trata de tres de las lunas de Júpiter que aquí se muestran ordenadas de menor a mayor distancia al planeta.

La resonancia de las lunas jovianas

La resonancia a la que obedecen estas tres lunas es la siguiente: Por cada órbita que completa Ganímedes, el satélite Ío completa cuatro y Europa dos. ¿Cómo se representa esta resonancia? Se parte del cuerpo con menor tiempo de traslacion. O dicho de otro modo, el más cercano al cuerpo alrededor del cual giran. En este caso, Ío, que completa cuatro órbitas. Luego, el siguiente: Europa, que completa dos órbitas. Por último, el más lento. Ganímedes, que completa una órbita. La resonancia se representa de la forma 4:2:1.

Una resonancia mucho más compleja

La resonancia detectada en cinco de los seis planetas de TOI-178 es más compleja. Es del tipo 18:9:6:4:3. Es decir, por cada 18 órbitas que completa el primer planeta de la resonancia, el segundo planeta de la resonancia completa 9 órbitas, el tercero 6, y así sucesivamente. Esto no implica que cada 36 órbitas del primer planeta del sistema de resonancia, los otros cuatro planetas que forman la cadena se alineen. De hecho no lo hacen.

«Los cinco planetas de la cadena no se pueden alinear porque la resonancia se lo impide», explica Leleu para Astrométrico. De hecho, la resonancia le confiere a los planetas una especie de protección evitando estos alineamientos que por tirones gravitatorios destrozarían la cadena. Además, el sexto planeta, el más cercano y que está fuera de la cadena de resonancia, no se ve afectado por el tirón gravitatorio de la cadena. Esto es así porque, entre otras cosas, está demasiado alejado del resto de planetas.

Otra resonancia compleja

Como curiosidad, hay otro sistema exoplanetario con una compleja resonancia. Se trata del sistema TRAPPIST-1, aquel que nos ofreció siete planetas (Guillon, 2017) algunos de ellos en la zona habitable de una enana ultrafría. En este sistema también se dan una serie de resonancias entre ellos (Luger, 2017) y se dan a conocer en un artículo en la revista Nature Astronomy.

Sonificación de la resonancia

Les recomiendo que observen el siguiente vídeo. Ha sido producido por ESO donde se le asigna un tono a cada planeta que suena en cada semiórbita. Así, se proporciona un recurso audiovisual que ayuda a comprender la resonancia orbital del sistema. Hagan clic en la imagen de abajo para ver el vídeo:

Si no han podido verlo, lo podrán hacer haciendo clic aquí.

El pasado de TOI-178

La investigación del sistema TOI-178 ha ido más allá de averiguar esta peculiaridad orbital. Para empezar, las observaciones nos indican ciertas particularidades sobre su pasado. «Las órbitas de este sistema están muy bien ordenadas, lo que nos dice que ha evolucionado de una forma suave desde su nacimiento», explica Yann Alibert, investigador en la universidad de Berna y coautor del artículo que expone la investigación.

Que la evolución del sistema haya sido «suave» tal y como indica Alibert quiere decir que desde la formación de este sistema planetario apenas ha habido perturbaciones importantes. Por ejemplo, un impacto. Porque un gran impacto en alguno de los planetas de la cadena habría roto la resonancia. Y esto habría hecho desaparecer esa armonía que hoy tienen.

Características del sistema TOI-178

En base a los datos de tránsito y velocidades radiales también se han obtenido datos en lo referente a tamaño y masa. «Parece que hay un planeta tan denso como la Tierra justo al lado de un planeta muy esponjoso con la mitad de la densidad de Neptuno. Le sigue otro planeta con la densidad del propio Neptuno. No es algo a lo que estamos acostumbrados», explica Nathan Hara, investigador de la Universidad de Ginebra (Suiza).

Sin ir más lejos, en nuestro sistema solar, los planetas están dispuestos de una forma más ordenada. Los planetas más densos, los rocosos, están situados más cerca del Sol. Estos son Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Por otro lado, los más «esponjosos» tal y como los define Hara, son los que se encuentran más alejados: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

Velocidades y tamaños de los exoplanetas

El planeta más cercano del sistema, aquél que está fuera de la cadena de resonancia, gira extremadamente rápido. Completa una órbita cada dos días. Por otro lado, el sexto y más lento, completa su órbita alrededor de su estrella en 20 días, diez veces más. En cuanto a los tamaños, el más pequeño de los seis tiene aproximadamente el tamaño de la Tierra, y el más grande, tres veces más. Sus masas oscilan entre 1,5 y 30 veces la masa de la Tierra.

Con todo esto, pueden ver cómo analizando exoplanetas con estas técnicas combinadas se pueden obtener grandes resultados. Tanto casualidades orbitales como puede ser esta resonancia orbital, pero también tamaños y masas de un sistema exoplanetario completo. Cuando llegue la nueva generación de telescopios, estos análisis podrán aportar nuevos y más interesantes datos de este y otros sistemas exoplanetarios.

Referencias

• Gillon, M., Triaud, A., Demory, B.O. et al. Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1. Nature 542, 456-460 (2017). DOI: 10.1038/nature21360 (Ver) (PDF).
• Leleu, A. et al. Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178. Astronomy and Astrophysics. (2021) DOI: 10.1051/0004-6361/202039767 (Ver) (PDF).
• Luger, R., Sestovic, M., Kruse, E. et al. (2017). A seven-planet resonant chain in TRAPPIST-1. Nature Astronomy, 1, 0129. DOI: 10.1038/s41550-017-0129 (Ver) (arXiv).
• «Puzzling six-exoplanet system with rhythmic movement challenges theories of how planets form». eso2102 – Science Release (2021) (Ver).
• «Un desconcertante sistema de seis exoplanetas con movimiento rítmico desafía las teorías de cómo se forman los planetas». eso2102es – Comunicado científico (2021) (Ver).