Astronomie

Une étoile peut-elle orbiter autour de plusieurs planètes ou d'une planète avec des lunes massives ?

Une étoile peut-elle orbiter autour de plusieurs planètes ou d'une planète avec des lunes massives ?

Remarque : je ne parle pas d'une étoile en orbite autour d'une planète unique ou solitaire :)

Je sais qu'une étoile en orbite autour d'une planète est presque impossible car si une planète est plus massive qu'une étoile, cette "planète" serait probablement une étoile. Mais que diriez-vous si la planète n'est pas solitaire comme :

  1. Un système planétaire multiple composé uniquement de planètes flottantes, mais les planètes sont si massives que leur masse totale est plus grande qu'une étoile

  2. Une planète elle-même n'est pas plus massive qu'une étoile mais elle a tellement de lunes massives

Est-il possible pour une très petite étoile d'orbiter autour de planètes dans de telles situations ?


Il existe des moyens théoriques de le faire, mais il est si peu probable qu'il n'existe probablement pas. En supposant que vous vouliez un système où les planètes sont sur des orbites stables les unes autour des autres. La difficulté de base est le problème à 3 corps ou à n corps. Plus d'informations ici et ici.

Par exemple, une planète massive pourrait (en théorie) avoir une seule lune super massive de masse similaire à la planète, bien que cela soit probablement considéré comme un système à 2 planètes. Il n'est pas possible pour une planète d'avoir deux lunes super-massives car ce ne serait pas stable. En général, les planètes ont plusieurs fois la masse de toutes leurs lunes combinées, de même les étoiles ont plusieurs fois la masse de toutes leurs planètes combinées et lorsque cela cesse d'être vrai, le système n'est plus stable. Il est très difficile de générer une masse suffisante en ajoutant des lunes à un système, ou en ajoutant suffisamment de planètes pour devenir plus massives que le soleil, à moins que les planètes ne s'écrasent les unes contre les autres mais au-delà d'une certaine masse, elles cesseraient d'être des planètes et deviendraient une sorte d'étoile lorsque suffisamment de planètes se sont combinées.

Si nous regardons les systèmes gravitationnels, comme notre système solaire, quelque chose comme 99,7% de la masse est dans le soleil, donc le soleil domine et tout tourne autour du soleil. Quelques-uns des plus gros objets ont des lunes, et curieusement, mais seulement parce qu'ils sont sur des orbites relativement calmes loin des autres planètes, quelques astéroïdes orbitent les uns autour des autres, mais le système est très structuré autour du soleil avec des zones orbitales stables beaucoup plus petites. autour des planètes.

Pluton a également son propre système orbital plutôt curieux, probablement causé par un impact, où Pluton et Charon sont relativement grands et 4 minuscules lunes orbitent autour d'eux.

La source:

Mais ce genre de systèmes structurés n'est possible que si vous avez un différentiel de masse important. Lorsque vous avez 3 corps ou plus de masse similaire et de distance similaire, vous obtenez un degré élevé de chaos mathématique et d'instabilité. Il existe des astuces mathématiques créatives pour le faire fonctionner, mais aucune d'entre elles n'est stable ou probable.

Voici à quoi ressemblent 3 corps de masse similaires, et dans un tel système, avec des changements constants, le scénario le plus probable est qu'un des corps finisse par être éjecté. (source, problème à N corps ci-dessus)

Il existe des systèmes stellaires avec plusieurs étoiles, mais ils sont soit instables, soit contiennent des différences de masse significatives. La structure gravitationnelle s'applique aux grandes planètes de la même manière que pour les étoiles, et il y a un article à ce sujet ici.

Vous pouvez créer de la stabilité en ayant 2 objets en orbite l'un autour de l'autre et un 3ème objet massif assez éloigné. (Alpha Centauri est ce genre de configuration bien que Proxima Centauri soit un peu plus petit, mais c'est le même système).

Vous pouvez même créer la hiérarchie où vous avez 2 objets en orbite l'un autour de l'autre, puis 2 autres, en orbite l'un autour de l'autre, mais distants pour que les 2 co-orbitales orbitent l'une autour de l'autre, et si vous le faites assez de fois, vous pouvez en quelque sorte créer assez masse planétaire où une étoile plus massive pourrait orbiter à distance, mais elle devient très structurée et très éloignée. Ce n'est pas ce que je considérerais comme une orbite normale.

Vous pouvez également tricher et avoir plusieurs planètes sur une orbite de proximité générale extrêmement instable et avoir une étoile à une certaine distance en orbite autour du désordre chaotique au milieu, mais elle ne serait pas stable longtemps.


N'oubliez pas qu'il existe des naines brunes entre les planètes et les étoiles en masse. Les planètes les plus lourdes ont environ une douzaine de masses de Jupiter, et les étoiles les plus légères ont un peu plus de 80 masses de Jupiter (d'après l'article de Wikipédia sur les naines brunes). Cela signifie que vous auriez besoin d'une sorte de système de sept super-Jupiters pour qu'une naine rouge orbite autour. Comme userLTK l'a clairement indiqué dans la réponse acceptée, il n'y a vraiment aucune configuration stable plausible où cela fonctionne.

Je peux proposer une configuration stable invraisemblable, cependant. Dans un univers vide ou un espace intergalactique profond, deux objets peuvent être très éloignés l'un de l'autre et toujours en orbite stable. Alors, imaginez deux super-Jupiters en orbite autour de leur centre de gravité commun. Loin d'eux, un troisième super-Jupiter orbite autour du couple. Plus précisément, il orbite autour du centre de gravité commun du système à 3 planètes.

Parce que le système est tellement isolé, nous pouvons, sauf erreur de ma part, répéter le processus indéfiniment. Vous pouvez toujours vous éloigner suffisamment d'un cluster pour qu'il soit presque un point de votre point de vue, puis orbiter autour du centre de gravité entre vous et ce point. En utilisant ce processus, vous construisez un système avec sept super-Jupiter ou plus et une naine rouge en orbite très loin.

Si un tel système existait, je le considérerais comme une preuve d'ingénierie stellaire intentionnelle. Une telle chaîne d'orbites parfaites est tout simplement une trop grande coïncidence.


PLANÈTE PLANÈTE

Construire le système solaire ultime partie 6 : un système avec plusieurs étoiles

Dans cet article, nous allons faire passer le système solaire ultime au niveau supérieur. L'ingrédient clé que nous allons ajouter est la multiplicité. Il y aura beaucoup d'étoiles dans ce système, pas seulement une ou deux.

Un rapide récapitulatif. Dans la partie 5, nous avons proposé deux manières différentes d'emballer les planètes dans la zone habitable de notre étoile, où nos mondes pourraient héberger la vie. Ultimate Solar System 1 n'incluait que des planètes semblables à la Terre (rocheuses) (dans une configuration orbitale géniale). Dans Ultimate Solar System 2, la moitié des mondes semblables à la Terre n'étaient pas des planètes mais des lunes de planètes géantes.

Je ne pouvais pas choisir entre ces deux systèmes solaires ultimes, alors je les ai choisis tous les deux. Je les ai mis dans un système d'étoiles binaires :

Le système solaire ultime. Il se compose de deux de nos étoiles choisies en orbite à une distance d'environ 100 unités astronomiques (1 unité astronomique = la distance Terre-Soleil). Chaque étoile héberge l'un de nos systèmes solaires ultimes. Message original ici.

Avec le recul, je ne pense pas que le système solaire ultime était assez ambitieux. Bien sûr, nous avons entassé 60 planètes potentiellement porteuses de vie dans un seul système. Mais nous pouvons faire mieux!

Dans cet article, je me concentrerai sur un aspect du système sur lequel nous pouvons nous appuyer : augmenter le nombre d'étoiles dans le système. Je me suis inspiré d'un post récent dans lequel j'ai généré un système dans lequel une planète avait cinq Soleils dans le ciel (c'était une série en 3 parties : voir ici, ici et ici). Ce que nous allons faire, c'est construire un système contenant de nombreuses étoiles, chacune ayant sa propre zone habitable remplie de planètes. Cela nous amène dans des eaux philosophiques troubles, car dans quelle mesure devrions-nous définir un « système planétaire » ? Nous allons sauter cette discussion, nous lancer et construire un nouveau système solaire ultime à plusieurs étoiles (si vous avez une opinion à ce sujet, n'hésitez pas à laisser un commentaire).

Beaucoup d'étoiles ont des étoiles compagnes. Un système binaire est tout simplement deux étoiles en orbite l'une autour de l'autre. Notre système solaire ultime original a formé un système binaire avec les deux étoiles séparées par environ 100 unités astronomiques. Il existe de nombreux systèmes stellaires connus triples, quadruples, quintuples et même sextuples. Par exemple, voici à quoi ressemble le système Castor 6 étoiles :

Crédit : Caetano Julio/NASA JPL.

Les systèmes stellaires suivent un schéma standard qui maintient leurs orbites stables. Ils sont organisés dans une configuration hiérarchique. Cela signifie que chaque ensemble d'orbites est sur une échelle de taille différente. Les tailles des orbites des étoiles ne vont pas de 1-2-3, elles vont de 1-10-100. Une étoile n'est vraiment proche que d'une autre étoile. Après cela, d'autres étoiles sont beaucoup plus loin.

Voici une caricature d'un système hiérarchique à 8 étoiles :

Un système hiérarchique de 8 étoiles. Les cercles montrent les trajectoires des orbites des étoiles. Cette image n'est pas à l'échelle. La séparation entre les binaires proches (la distance entre a et b, ou entre c et d, etc.) doit être environ 10 fois plus petite que la séparation entre les paires de binaires proches (la distance entre a+b et c+d, ou e +f et g+h). Note technique : Ce système a un hiérarchie sur 3 (voir ici).

Ce système est hiérarchique car chaque paire d'étoiles proches (étoiles a et b, b et c, etc.) est beaucoup plus proche l'une de l'autre que toute autre étoile (ou paire d'étoiles). La séparation entre les étoiles a et b est beaucoup plus petite que la séparation entre les étoiles a+b et c+d, qui est beaucoup plus petite que la séparation entre les étoiles a+b+c+d et e+f+g+h. Disons que la séparation entre les binaires les plus proches est de 0,1 unité astronomique, la séparation entre chaque paire de binaires proches est de 1 unité astronomique et la séparation entre les touffes de 4 étoiles est de 10 unités astronomiques.

Une configuration hiérarchique peut doubler le nombre d'étoiles pour chaque niveau de hiérarchie supplémentaire. Par exemple, commençons par le système 8 étoiles dans l'image ci-dessus. Nous pouvons prendre deux systèmes 8 étoiles et les mettre en orbite l'un autour de l'autre. Nous devons nous assurer que la nouvelle orbite est très large, environ dix fois plus grande que le niveau inférieur. Dans notre configuration, les deux systèmes à 8 étoiles devraient être séparés d'environ 100 unités astronomiques pour que l'ensemble du système soit stable.

Ce système est simplement deux des systèmes hiérarchiques à 8 étoiles placés en orbite l'un autour de l'autre. Ce système a un niveau hiérarchique de 4. Pas à l'échelle.

Continuons. On peut en effet prendre deux systèmes hiérarchiques à 16 étoiles et les placer en orbite l'un autour de l'autre. Maintenant, la taille de la plus grande orbite est de 1000 unités astronomiques, et il y a 32 étoiles dans le système.

Jusqu'où peut-on aller avec ça ? Quelle taille d'un système stellaire hiérarchique pouvons-nous raisonnablement construire ? (Est-ce vraiment des tortues tout en bas ?) Si un système devient trop gros, il ressent des coups gravitationnels de la Galaxie elle-même, d'autres étoiles et de nuages ​​de gaz géants. Ces coups de pied supplémentaires commencent à changer les orbites des étoiles lorsque les étoiles sont distantes d'environ 1000 unités astronomiques. Les orbites supérieures à environ 100 000 unités astronomiques sont vraiment à la limite et peuvent être interrompues à presque tout moment.

Introduisons maintenant les planètes dans les systèmes stellaires hiérarchiques. Pour l'instant, nous ne nous soucierons pas des planètes elles-mêmes, mais plutôt des zones habitables des étoiles.

Contrairement à notre pensée précédente (de la partie 1 de cette série), maintenant le type d'étoile compte vraiment. Les étoiles plus petites et de masse inférieure sont plus faibles, de sorte que leurs zones habitables sont plus compactes que les zones habitables des étoiles plus grandes et plus massives. Dans notre quête pour augmenter le nombre d'étoiles dans un système donné, il est logique de choisir des étoiles de faible masse, parfois appelées naines rouges.

Dans les systèmes stellaires hiérarchiques ci-dessus, les étoiles binaires les plus proches étaient distantes de 0,1 unité astronomique. Échangeons les deux étoiles de ces binaires proches contre une étoile et sa zone habitable. Pour que cela tienne, nous avons besoin d'étoiles dont les zones habitables sont distantes d'environ 0,1 unité astronomique. C'est 10 fois plus proche que la zone habitable du Soleil, ce qui signifie que les étoiles que nous voulons sont 100 fois plus faibles que le Soleil. Nous voulons des nains M. (Le genre qui est un peu plus cool que Kepler-186). Les naines M sont beaucoup plus courantes dans la Galaxie que les étoiles semblables au Soleil, il est donc logique de les utiliser pour construire un système stellaire.

Après le basculement, voici à quoi ressemble le système hiérarchique à 8 étoiles :

Un système hiérarchique 4 étoiles. Les anneaux verts, qui ont remplacé les étoiles binaires proches dans le système hiérarchique à 8 étoiles, représentent la zone habitable de chaque étoile.

Au lieu de deux étoiles en orbite l'une autour de l'autre, les étoiles binaires les plus proches sont désormais des naines M orbitant des zones habitables. Ces zones habitables sont stables et peuvent chacune héberger des planètes. Nous y reviendrons.

L'étape suivante consiste simplement à ajouter un autre niveau de hiérarchie. Mettons deux systèmes — chacun avec 4 étoiles avec des zones habitables stables — en orbite l'un autour de l'autre :

Maintenant, nous avons jusqu'à 8 étoiles, chacune avec une zone habitable stable pouvant héberger des planètes. Allons de l'avant et ajoutons une couche supplémentaire et doublons le nombre d'étoiles une dernière fois. Voici ce que nous obtenons :

Un système hiérarchique contenant 16 étoiles plus proches que 1000 unités astronomiques. Les petits cercles verts représentent la zone habitable de chaque étoile (il y en a 16 si vous regardez de plus près, mais deux sont écrasés ensemble à cause de toute la hiérarchie).

Nous avons atteint la limite. Nous ne pouvons pas ajouter une autre couche de hiérarchie sans marcher dans des eaux dangereuses, les perturbations gravitationnelles galactiques jouant le rôle du crocodile.

Nous avons l'infrastructure pour notre système solaire ultime à plusieurs étoiles. Il contient 16 millions d'étoiles naines. Chaque zone habitable d'étoile est bien séparée de toutes les autres étoiles et est dynamiquement stable. Même avec autant d'étoiles dans le système, la lumière des autres étoiles n'a pas d'effet appréciable sur la zone habitable, puisque l'étoile la plus proche est 10 fois plus éloignée et 100 fois plus faible.

Remplissons ces zones habitables de planètes ! Nous savons (d'après les parties 3 et 4 de cette série) comment emballer autant de planètes que possible dans la zone habitable tout en gardant leurs orbites stables. Comme nous l'avons vu dans la partie 5, nous pouvons intégrer une trentaine de mondes porteurs de vie dans la zone habitable (24 dans l'Ultimate Solar System 1 et 36 dans l'Ultimate Solar System 2).

Il est tentant de simplement choisir 16 exemplaires de Ultimate Solar System 2. Cela donnerait 576 mondes habitables dans le système, contre seulement 384 si l'on choisissait 16 exemplaires de Ultimate Solar System 1. Cependant, les étoiles naines M n'ont pas autant de gaz. planètes géantes comme des étoiles semblables au Soleil. Ainsi, Ultimate Solar System 1 est un choix plus raisonnable que Ultimate Solar System 2 pour la plupart des étoiles de ce système. Et tant qu'il y aura quelques Ultimate Solar System 2 & 8217s, le nombre de planètes est toujours supérieur à 400. Pas trop mal.

Voici à quoi ressemble notre système solaire ultime 16 étoiles :

Le système solaire ultime 16 étoiles. Chaque cercle vert est la zone habitable d'une étoile. Les 16 M étoiles naines sont disposées dans une configuration hiérarchique. Chaque zone habitable d'étoile est suffisamment éloignée des autres étoiles pour être stable et contient 24 à 36 planètes (voir ici) pour un total de 576 mondes potentiellement porteurs de vie dans le système.

Nous l'avons fait! C'est un grand pas en avant par rapport au système solaire ultime d'origine, passant de 60 mondes habitables à 400 ou plus ! Certains pourraient dire que c'est même "Ultimer" !

RÉSUMÉ : Nous avons construit un système hiérarchique géant (1000 unités astronomiques) avec 16 étoiles et des zones habitables stables. En emballant des planètes dans ces zones habitables, nous avons créé un système contenant plus de 400 (et jusqu'à 576) mondes potentiellement habitables. Boom!

Imaginez les histoires à raconter dans un système comme celui-ci. Des batailles astronomiques opposant un monde à un autre. Rivalités entre planètes en orbite autour d'étoiles différentes. Alliances entre créatures sur des lunes, des planètes troyennes ou des planètes binaires. Prises de contrôle hostiles des planètes et des lunes. Imaginez une bande adorable de vagabonds basanés explorant différentes parties du système, poursuivant l'aventure tout en fuyant leur passé (je pense à Firefly, j'adore ce spectacle). Combien de temps faudrait-il aux habitants d'une planète pour découvrir les planètes en orbite autour d'autres étoiles ? A quoi ressemblerait le ciel sur ces mondes ?

En parlant de narration, j'ai un aveu. Ce post est vraiment juste une configuration pour une histoire que je raconterai dans le prochain post. Quelque chose de pas si gai se prépare dans le système solaire ultime 16 étoiles & #8230 Lisez la suite pour savoir ce qui se passe lorsqu'un bon système planétaire se détériore.


Systèmes stellaires de la deuxième chance

Le 16 septembre, une équipe d'astronomes dirigée par Andrew Vanderburg (Université du Wisconsin-Madison) a annoncé en Nature qu'ils avaient découvert la première exoplanète intacte en orbite près d'une naine blanche.

« Nous ne nous attendions pas à trouver une planète intacte », dit Vanderburg. « Nous nous attendions à trouver d'autres planètes en train d'être détruites. Celui-ci semble avoir dépassé les parties les plus dangereuses de son évolution.

La planète, WD 1856b, est à 80 années-lumière de la Terre dans la constellation Draco. Il est sept fois plus gros que son hôte et orbite si près qu'il transite tous les 1,4 jour. Mais comment est-il sorti indemne du chaos de l'agonie de sa star ? Et comment les études de ce genre de mondes pourraient-elles enrichir le domaine croissant de la recherche sur les exoplanètes ? Vanderburg et ses collègues estiment que la planète doit être originaire d'au moins 50 fois plus loin qu'elle ne l'est maintenant, empruntant un chemin sinueux et incroyablement improbable jusqu'à la porte de son hôte, puis assurant d'une manière ou d'une autre une orbite stable.

"Nous savons que les planètes migrent parfois vers l'intérieur à cause des Jupiters chauds", explique Thea Kozakis (Université technique du Danemark), membre de l'équipe d'une étude complémentaire publiée le 20 septembre. Lettres de revues astrophysiques.

"Quand nous avons découvert ces mondes pour la première fois", a déclaré Kozakis, "nous n'avions aucune idée de comment cela pouvait arriver, car les géantes gazeuses ne peuvent tout simplement pas se former aussi près de l'étoile hôte. Au fil du temps, nous avons réalisé qu'ils s'étaient formés plus loin, puis ont bougé.


Quatre planètes massives ont été découvertes en orbite autour d'une jeune étoile lointaine

Les chercheurs ont identifié une jeune étoile avec quatre planètes de la taille de Jupiter et de Saturne en orbite autour d'elle, la première fois qu'autant de planètes massives sont détectées dans un système aussi jeune. Le système a également établi un nouveau record pour la gamme d'orbites la plus extrême jamais observée : la planète la plus externe est plus de mille fois plus éloignée de l'étoile que la plus interne, ce qui soulève des questions intéressantes sur la façon dont un tel système aurait pu se former.

L'étoile n'a que deux millions d'années – un « tout-petit » en termes astronomiques – et est entourée d'un énorme disque de poussière et de glace. Ce disque, connu sous le nom de disque protoplanétaire, est l'endroit où se forment les planètes, les lunes, les astéroïdes et autres objets astronomiques des systèmes stellaires.

L'étoile était déjà connue pour être remarquable car elle contient le premier Jupiter chaud - une planète massive en orbite très proche de son étoile mère - à avoir été découvert autour d'une si jeune étoile. Bien que les Jupiters chauds aient été le premier type d'exoplanète à être découvert, leur existence a longtemps intrigué les astronomes car on pense souvent qu'elles sont trop proches de leurs étoiles mères pour s'être formées in situ.

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs dirigée par l'Université de Cambridge, en Angleterre, a utilisé l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) pour rechercher les « frères et sœurs » planétaires de ce bébé Jupiter chaud. Leur image a révélé trois lacunes distinctes dans le disque, qui, selon leur modélisation théorique, étaient très probablement causées par trois planètes géantes gazeuses supplémentaires en orbite autour de la jeune étoile. Leurs résultats sont rapportés dans Les lettres du journal astrophysique .

L'étoile, CI Tau, est située à environ 500 années-lumière dans une région de « pépinière » stellaire hautement productive de la galaxie. Ses quatre planètes diffèrent grandement par leurs orbites : la plus proche (la chaude Jupiter) est à l'intérieur de l'équivalent de l'orbite de Mercure, tandis que la plus éloignée orbite à une distance plus de trois fois supérieure à celle de Neptune. Les deux planètes extérieures ont environ la masse de Saturne, tandis que les deux planètes intérieures ont respectivement environ une et 10 fois la masse de Jupiter.

Comme les Jupiter chauds sont d'énormes planètes en orbite près de leur étoile hôte, ils sont plus faciles à repérer. Crédit image : NASA/ESA/G. Bacon (STScI)/N. Madhusudhan (UC)

La découverte soulève de nombreuses questions pour les astronomes. Environ un pour cent des étoiles hébergent des Jupiter chauds, mais la plupart des Jupiter chauds connus sont des centaines de fois plus vieux que CI Tau. "Il est actuellement impossible de dire si l'architecture planétaire extrême observée dans CI Tau est courante dans les systèmes de Jupiter chaud, car la façon dont ces planètes sœurs ont été détectées - par leur effet sur le disque protoplanétaire - ne fonctionnerait pas dans les systèmes plus anciens qui n'ont plus de disque protoplanétaire », déclare le professeur Cathie Clarke de l'Institut d'astronomie de Cambridge.

Selon les chercheurs, il est également difficile de savoir si les planètes sœurs ont joué un rôle dans la conduite de la planète la plus interne dans son orbite ultra-étroite, et s'il s'agit d'un mécanisme qui fonctionne dans la fabrication de Jupiter chauds en général. Et un autre mystère est de savoir comment les deux planètes extérieures se sont formées.

"Les modèles de formation des planètes ont tendance à se concentrer sur la capacité de créer les types de planètes qui ont déjà été observés, donc les nouvelles découvertes ne correspondent pas nécessairement aux modèles", explique Clarke. « Les planètes de masse de Saturne sont censées se former en accumulant d'abord un noyau solide, puis en tirant une couche de gaz sur le dessus, mais ces processus sont censés être très lents à de grandes distances de l'étoile. La plupart des modèles auront du mal à créer des planètes de cette masse à cette distance. »

La tâche à venir sera d'étudier ce système déroutant à plusieurs longueurs d'onde pour obtenir plus d'indices sur les propriétés du disque et de ses planètes. En attendant, ALMA – le premier télescope capable d'imager des planètes en devenir – va probablement créer de nouvelles surprises dans d'autres systèmes, remodelant notre image de la formation des systèmes planétaires.

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Un système à six planètes danse dans le temps au rythme de la gravité

Les astronomes ont découvert un système solaire remarquable, un système de planètes en orbite autour d'une étoile proche. D'une part, il y a au moins six planètes qui s'y trouvent. D'autre part, les cinq planètes extérieures sont en orbite autour de l'étoile en synchronisation, se déplaçant comme des danseurs au rythme de la gravité !

L'étoile s'appelle TOI-178, et c'est un cheveu à plus de 200 années-lumière de la Terre. TOI signifie TESS Object of Interest, une étoile avec des planètes candidates détectées par le satellite Transiting Exoplanet Survey (ce qui fait de TOI une abréviation avec un acronyme intégré qui n'est pas important mais pour une raison quelconque, ceux-ci me font craquer).

Plus de mauvaise astronomie

TESS recherche des baisses régulières et périodiques de la lumière des étoiles indiquant que nous voyons cette planète passer directement devant son étoile, faisant une mini-éclipse, ce que nous appelons une transit. Cela ne se produit que lorsque nous voyons l'orbite de côté. Mais à partir de là, la période (l'"année" de la planète) et la taille de la planète peuvent être trouvées - une planète plus grosse bloque plus de lumière.

Lorsque les astronomes ont analysé les observations TESS de TOI-178, ils ont découvert qu'il y avait six planètes en orbite autour de l'étoile, et que les cinq planètes extérieures ont toutes des périodes qui sont de simples multiples les unes des autres !

Les planètes sont appelées TOI-178b à TOI-178g (la première planète découverte porte le nom de l'étoile plus une minuscule b). Les périodes des planètes, dans l'ordre à partir de l'étoile et en jours terrestres, sont b = 1,91, c = 3,24, d = 6,56, e = 9,96, f = 15,23 et g = 20,71.

Jetez un œil à ces chiffres : il faut presque deux fois plus de temps à la planète d pour orbiter autour de l'étoile que la planète c, donc c fait deux fois le tour de l'étoile dans le temps qu'il faut à d pour faire un tour. La période de la planète e est trois fois celle de c, donc c fait le tour de trois fois pour chaque fois que e fait le tour une fois. La planète f fait le tour deux fois toutes les trois fois que la planète e fait le tour et, enfin, la planète g fait le tour 3 fois toutes les quatre fois que la planète f fait le tour.

Lorsqu'une planète a une période qui est un multiple simple (un nombre qui peut être exprimé sous forme de fraction avec deux entiers, comme 2/3 ou 5/4), nous disons qu'ils sont dans résonance. Dans ce cas, c'est un chaîne de résonance, avec toutes les cinq planètes extérieures se déplaçant en plusieurs périodes simples.

Cette animation du système TOI-178 joue une tonalité chaque fois que l'une des cinq planètes extérieures effectue une demi-orbite ou une orbite complète, avec une tonalité différente pour chaque planète. Parce que les périodes orbitales des planètes sont de simples multiples les unes des autres, les motifs se répètent régulièrement. Crédit : ESO/L. Calçada

Nous connaissons quelques systèmes comme celui-ci. TOI-178 porte le nombre à 5. Dans un sens, ils se produisent naturellement et facilement. Les planètes se forment à partir d'un disque de gaz et de poussière autour de l'étoile, et lorsqu'elles interagissent avec ce disque, leurs orbites changent. Ils ont tendance à se rapprocher lentement de l'étoile. Mais lorsque cela se produit, ils peuvent entrer dans un modèle de résonance, et leurs interactions gravitationnelles ont tendance à renforcer ce modèle. Si une planète se déplace un peu trop vite, la planète à l'extérieur la retire un peu, et vice-versa.

D'un autre côté, lorsque vous avez cinq planètes dans une chaîne comme celle-ci, cela peut être une chose délicate si une planète est décalée ne serait-ce qu'un petit peu, cela peut gâcher toute la danse, et les périodes des planètes changeront, perturbant le résonance. Cela nous dit quelque chose sur la façon dont ils se sont formés : cela a dû être un processus relativement doux, leur permettant de s'installer dans ces orbites. S'il y avait eu une autre grande planète sur eux, cela aurait perturbé la chaîne. L'étoile a environ 7 milliards d'années, ce système est donc stable depuis très longtemps.

Je note que ces planètes sont assez proches de leur étoile, ce qu'on appelle une étoile de type K, plus petite et plus froide que le Soleil. Pourtant, ils sont très proches et tous cuits par cela.

Comparaison de taille entre la Terre (à gauche) et Neptune (à droite). Crédit : NASA / jcpag2012 sur wikimedia

Les transits nous indiquent également la taille des planètes : dans l'ordre depuis l'étoile, la taille des planètes par rapport à la Terre est b = 1,18, c = 1,71, d = 2,64, e = 2,17, f = 2,38, g = 2,91. Ils sont tous plus gros que la Terre, mais plus petits que Neptune, nous les appelons donc des super-Terres pour le bas de gamme et des mini-Neptunes pour le plus gros. Mais ils sont tous mélangés. Dans notre système solaire, les planètes les plus petites orbitent le plus près et les géantes plus loin. Ce n'est pas le cas ici.

Impair. Mais il y a plus. Les astronomes ont poursuivi la découverte avec d'autres télescopes pour mesurer la vitesse réflexe de l'étoile, ce qui nous indique à quel point les planètes sont massives (lorsqu'elles orbitent autour de l'étoile qu'elles tirent dessus, la faisant tourner selon un schéma complexe, plus la masse est grande. planète plus elle tire fort).

Si vous calculez la densité des planètes (la masse divisée par le volume), c'est encore plus confus. En termes de densité de la Terre (environ 5,5 grammes par centimètre cube, soit 5,5 fois plus dense que l'eau), dans l'ordre, les planètes de TOI-178 sont b = 0,91, c = 0,9, d = 0,15, e = 0,39, f = 0,58, g = 0,19. Ainsi, les deux intérieurs sont un peu moins denses que la Terre, mais d est beaucoup moins, avec e est beaucoup plus dense que d, et f encore plus dense, et alors g est bien plus bas. Ils sont partout !

Oeuvre représentant le système à six planètes en orbite autour de l'étoile TOI-178. Crédit : ESO/L. Calçada/spaceengine.org

La densité est importante car elle vous indique de quel type de planète il s'agit. Les géantes gazeuses ont des densités allant jusqu'à 0,2 Terre environ, et les planètes rocheuses/métalliques plus proches de 1. Ici, nous voyons qu'elles sont mélangées dans leur ordre par rapport à l'étoile, complètement contrairement à notre propre système solaire. C'est difficile à expliquer, et cela nous dit quelque chose important sur la façon dont ces planètes se sont formées. Nous ne savons pas encore exactement quoi.

Je suis ravi que nous trouvions tous ces systèmes si différents du nôtre. J'allais d'abord les appeler "impairs", mais je me le demande. Si celui-ci n'est qu'à 200 années-lumière, cela implique que des systèmes comme celui-ci sont courants, il semble qu'il y ait de grandes chances que l'on soit si proche s'ils étaient incroyablement rares.

Peut-être ont été le système bizarre. Je pense que ce serait délicieux aussi. Peut-être que nous semblons simplement normaux parce que nous sommes ce à quoi nous sommes habitués et c'est sur cela que nous basons notre opinion.

S'il y a une leçon de morale là-dedans, pourquoi, peut-être devrions-nous écouter davantage l'Univers.


Trois planètes massives ont été découvertes dans ce système stellaire étrange, déconcertant les scientifiques

Dans une nouvelle découverte intrigante, les astronomes ont identifié trois énormes planètes gazeuses en orbite autour d'une jeune étoile, selon une étude publiée dans le Lettres de revues astrophysiques. L'étoile a déjà hébergé une géante gazeuse, portant à quatre le nombre total de grands mondes en orbite autour d'elle.

Non seulement c'est la première fois que tant de planètes massives sont détectées autour d'une étoile aussi jeune, mais le système a également établi un nouveau record pour avoir la gamme la plus extrême d'orbites connues, avec la planète la plus éloignée plus de mille fois plus loin. de l'étoile. Ensemble, ces résultats soulèvent des questions sur la formation de tels systèmes.

L'étoile, connue sous le nom de CI Tau, n'a "que" deux millions d'années, ce qui signifie qu'elle est encore proche du début de son cycle de vie. Comme d'autres jeunes étoiles, elle est entourée d'un vaste disque de poussière et de glace, connu sous le nom de disque protoplanétaire, dans lequel se forment planètes, lunes, astéroïdes et autres objets astronomiques.

Le système CI Tau&mdashsitué à environ 500 années-lumière dans une région « pépinière stellaire » hautement productive de la galaxie&mdashis est déjà remarquable pour contenir le premier « Jupiter chaud » autour d'une si jeune étoile. Les Jupiters chauds sont une classe d'exoplanètes géantes gazeuses qui orbitent très près de leur étoile hôte, ce qui signifie généralement qu'elles ont des températures de surface incroyablement élevées. L'existence de ces planètes a longtemps intrigué les astronomes car on pense qu'elles sont trop proches de leurs étoiles pour s'être formées dans leurs positions actuelles.

À l'aide de l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), l'équipe a identifié trois lacunes distinctes dans le disque protoplanétaire, qui, selon la modélisation théorique, sont causées par trois planètes géantes gazeuses supplémentaires en orbite autour de l'étoile, en plus du Jupiter chaud déjà connu.

Ces quatre planètes ont une gamme de masses allant de la masse de Saturne à 10 fois celle de Jupiter et ont des orbites très différentes. Le plus proche est le chaud Jupiter, qui est plus proche de l'étoile que Mercure ne l'est de notre Soleil. Pendant ce temps, les deux planètes les plus éloignées orbitent à une distance plus de trois fois supérieure à celle de Neptune.

Ces propriétés du système le rendent particulièrement déroutant et intéressant pour les astronomes, d'autant plus que le pour cent des étoiles qui hébergent des Jupiters chauds ont tendance à être des centaines de fois plus vieilles que CI Tau.

"Il est actuellement impossible de dire si l'architecture planétaire extrême observée dans CI Tau est courante dans les systèmes de Jupiter chauds, car la façon dont ces planètes sœurs ont été détectées et leur effet sur le disque protoplanétaire ne fonctionnerait pas dans les systèmes plus anciens qui n'ont plus de disque protoplanétaire, " Cathie Clarke de l'Institut d'astronomie de l'Université de Cambridge, premier auteur de l'étude, a déclaré dans un communiqué.

Il est également difficile de savoir si les trois mondes nouvellement détectés ont aidé à pousser le Jupiter chaud sur son orbite très proche et si ce processus est courant parmi ces planètes. De plus, les chercheurs n'ont pas été en mesure d'expliquer comment les planètes extérieures se sont formées.

"Les modèles de formation des planètes ont tendance à se concentrer sur la capacité de créer les types de planètes qui ont déjà été observés, donc les nouvelles découvertes ne correspondent pas nécessairement aux modèles", a déclaré Clarke. « Les planètes de masse de Saturne sont censées se former en accumulant d'abord un noyau solide, puis en tirant une couche de gaz sur le dessus, mais ces processus sont censés être très lents à de grandes distances de l'étoile. La plupart des modèles auront du mal à en faire des planètes. masse à cette distance."

The next steps for the researchers will be to further investigate this puzzling star system at multiple wavelengths using ALMA in an attempt to unravel more of its secrets.


5 planets found in unusual rhythmic dance around a star 200 light-years away

Astronomers have discovered a planetary system including six planets and it’s not quite like anything they’ve seen before. The system could challenge the theories scientists have about how planets form and change over time.

Our solar system is just one of many planetary systems, and so far, no two systems are alike. The systems vary in the number and type of planets they contain.

About 200 light-years away from us is the star TOI-178, found in the Sculptor constellation. The research team initially thought there were only two stars orbiting the planet.

A closer look revealed something else entirely.

“Through further observations we realized that there were not two planets orbiting the star at roughly the same distance from it, but rather multiple planets in a very special configuration,” said lead study author Adrien Leleu, a CHEOPS fellow at the University of Bern, Switzerland, in a statement. (CHEOPS stands for the European Space Agency’s CHaracterizing ExOPlanet Satellite.)

The study published Monday in the journal Astronomy & Astrophysics.

Five of the six planets are essentially locked in a rare rhythmic orbit around the stars, creating a resonance. This means that some of the planets are actually aligned every few orbits and that there are discernible patterns as the planets complete their orbits.

This happens around Jupiter in our solar system as three of its moons, Io, Europa and Ganymede, orbit the gas giant. Io is the closest of the three moons. For every four orbits it completes around Jupiter, Europa completes two and Ganymede completes one. This creates a 4:2:1 pattern.

The resonant orbits of the TOI-178 system are more complicated. It’s one of the longest resonant chains found in a planetary system, the researchers said.

The five outer planets of the system follow this pattern: 18:9:6:4:3.

That means for every 18 orbits of the second closest planet to the star, the third planet completes 9.

A chain of resonance can reveal information about how a planetary system forms and evolves and what it was like in the past.

“The orbits in this system are very well ordered, which tells us that this system has evolved quite gently since its birth,” said study coauthor Yann Alibert, an affiliated professor of astrophysics at the University of Bern, in a statement.

Planetary systems can be volatile places in their early days and disruptions caused by the gravitational influence of large planets can disrupt and kick out others. Other times, impacts between planets or other objects can disrupt systems.

This system has been preserved, hence the resonant orbits. However, the densities of the planets are not well ordered, the researchers said.

“It appears there is a planet as dense as the Earth right next to a very fluffy planet with half the density of Neptune, followed by a planet with the density of Neptune. It is not what we are used to,” said study coauthor Nathan Hara, a postdoctoral researcher and CHEOPS fellow at the Université de Genève, in a statement.

The planets in our solar system are arranged with more dense, rocky planets closest to the sun, while the lower density gaseous planets are farther away.

“This contrast between the rhythmic harmony of the orbital motion and the disorderly densities certainly challenges our understanding of the formation and evolution of planetary systems,” Leleu said.

Multiple telescopes were used to study the system, including the CHEOPS satellite and multiple ground-based telescopes at the European Southern Observatory in Chile.

Exoplanets are difficult to observe directly, but the scientists used two methods to observe them. These methods include radial velocity, or observing starlight for telltale wobbles as planets move around a star in orbit, and transiting, or dips in starlight as planets pass in front of stars.

Both techniques revealed that the planets are much closer and in quicker orbits around their star than Earth is to the sun. For example, the closest planet to the star completes a full orbit in a couple of Earth days the farthest takes about 10 times that.

The planets range in type, including rocky and larger than Earth, known as super-Earths, as well as gaseous planets smaller than those in our solar system, called mini-Neptunes.

While the planets are between one to three times the size of Earth, their masses are 1.5 to 30 times that of Earth.

None of the planets are considered to be in the habitable zone of the star, or the perfect distance from the host star where these planets could support liquid water, or life, on their surfaces.

However, more observations of this system could reveal more planets orbiting the star that are in that zone. Future telescopes will be able to directly image some of these exoplanets and peer into their atmospheres, revealing more of the TOI-178 system’s secrets.


Ask Ethan: Can Two Planets Share The Same Orbit?

Despite the dangers an occasional comet or asteroid strike might bring, our Solar System is actually wonderfully stable place, with all eight planets expected to remain in their orbits, stably, for as long as the Sun lives. But are all solar systems this way? After sifting through our questions and suggestions for Ask Ethan this week, I selected this outstanding question by Dee Hurley:

Is it possible to have a solar system with two planets sharing the same orbit?

It's a really good question, and our own Solar System offers some clues to the answer.

Image credit: Wikimedia Commons user WP.

According to the International Astronomical Union (IAU), there are three things an orbiting body needs to do in order to be a planet:

  1. It needs to be in hydrostatic equilibrium, or have enough gravity to pull it into a spherical shape. (Plus whatever rotational effects distort it.)
  2. It needs to orbit the Sun and ne pas any other body (like another planet).
  3. And it needs to clear its orbit of any planetesimals or planetary competitors.

This last definition, strictly speaking, rules out two planets sharing the same orbit, since the orbit wouldn't be cleared if there were two of them.

Image credit: NASA/Ames/JPL-Caltech.

But why worry about technical definitions? Let's worry, instead, about whether it would be possible to have two Earth-like planets that share the same orbit around their star. The big worry, of course, is gravitation, which can ruin a dual orbit in one of two ways: either a gravitational interaction can "kick" one of the planets very hard, either sending it into the sun or out of the solar system, or the mutual gravitational attraction of the two planets can cause them to merge, resulting in a spectacular collision.

Image credit: NASA/JPL-Caltech.

This latter case is, in fact, something that happened to Earth when the Solar System was only a few tens of millions of years old! The collision resulted in the formation of our Moon, and very likely caused a major resurfacing event on our planet.

Two planets don't do a great job of occupying the same exact orbit, because there's no such thing as true stability in these cases. The best you can do is hope for a quasi-stable orbit, meaning that while, technically, on infinitely long timescales, everything is unstable, you pouvez obtain configurations that last billions of years before one of these two "bad" things occurs. And for that, I want to introduce you to a concept: Lagrange points.

Image credit: NASA and the WMAP science team, via . [+] http://map.gsfc.nasa.gov/mission/observatory_l2.html.

If you only considered two masses -- the Sun and a single planet -- there are five points (known as Lagrange points) around each one where the gravitational effects of the Sun and the planet cancel out, and all three bodies move in a stable orbit forever. Unfortunately, only two of these Lagrange points, L4 and L5, are stable anything that starts out at the other three (L1, L2, or L3) will unstably move away, and wind up colliding with the planet or getting ejected.

But L4 and L5 are the points around which asteroids collect. The gas giant worlds all have thousands, but even Earth has one: the asteroid 3753 Cruithne, which is presently in a quasi-stable orbit with our world!

Although this asteroid in particular isn't stable on billion-year timescales, it is definitely possible for two planets to share an orbit just like this. It's also possible to have a binary planet, which would be a lot like the Earth/Moon system (or the Pluto/Charon system), except with no clear "winner" as to who's the planet and who's the moon. If you had a system where two planets were comparable in mass/size, and only separated by a short distance, you could have what's known as either a binary or double planet system. Recent studies indicate that this is, in fact, possible.

But there's one more way to do it, and this is something you might not have thought was stable: you can have two planets in two separate orbits, one interior to the other, where the orbits swap periodically as the inner world overtakes the outer world. You might think this is crazy, but our Solar System has an example where this happens: two of Saturn's Moons, Epimetheus and Janus

Every four years, whichever moon is interior (closer to Saturn) comes to overtake the exterior one, and their mutual gravitational pull causes the inner moon to move outward, while the outer moon moves inward, and they swap.

Image credit: Emily Lakdawalla, 2006, via . [+] http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2006/janus-epimetheus-swap.html/.

Over the past 25 years, we've observe these two moons dance quite a bit, and as far as we can tell, this configuration is stable over the lifetime of our Solar System. In other words, it's totally conceivable that we'd have a planetary system somewhere in our galaxy with two planets (rather than moons) that do exactly this!

Image credit: NASA / JPL / David Seal.

The unfortunate news, at least for now, is that out of the thousands of discovered planets around other stars, we don't have any binary planet candidates yet. (You may have heard of one a few years ago, but it was retracted.) Of course, our technology hasn't progressed to the point where we've discovered moons around exoplanets yet, either, and yet we fully expect them to be there.

The reality is that these orbit-sharing circumstances are expected to be rare, but not so exceedingly rare that we don't expect to see it jamais. Give us a better planet-finding telescope, a million stars and about 10 years, and I'd be willing to bet we'd find examples of all three cases of planet-sharing orbits. The laws of gravity and our simulations tell us they ought to be there. The only step left is to find them.


Gas Giants Bounce Around — and Collide — in Alien Solar Systems

Gas giants around other stars often travel along highly-elliptical orbits, contrary to common thought, and massive collisions and interactions between gas giants may be to blame, a new study finds. The Cosmic Companion talks to lead researcher Renata Frelikh of UC Santa Cruz.

M ore than 4,000 worlds are now known to orbit stars other than our sun, and a fraction of these are giant worlds, like Jupiter and Saturn, orbiting close to their parent star. Basic laws of physics (as well as common intuition) would indicate that such a world should have a largely-circular orbits, due to the forces acting on the bodies.

Observations of large exoplanets near their stars, however, reveal just the opposite — that many of these worlds are tracing out highly-elliptical orbits as they race around the stellar companion.

“A giant planet is not as easily scattered into an eccentric orbit as a smaller planet, but if there are multiple giant planets close to the host star, their gravitational interactions are more likely scatter them into eccentric orbits,” Renata Frelikh, a graduate student in astronomy and astrophysics at UC Santa Cruz, stated in a press release from UC Santa Cruz.

Get Together or Go Rogue

A new series of simulations show that massive planets which formed close to stars can interact with each other, radically altering each other’s orbits. Au cours d'une giants-impact phase of planetary evolution, massive planets collide, building up even larger worlds. Our own Moon was likely formed as our budding solar system passed through this stage of development billions of years ago.

“Exoplanetary systems host giant planets on substantially noncircular, close-in orbits. We propose that these eccentricities arise in a phase of giant impacts, analogous to the final stage of solar system assembly that formed Earth’s Moon,” researchers describe in an article published in Lettres de revues astrophysiques.

Some gravitational interactions between massive worlds are capable of sending planets out of their solar system, to soar free among the stars as rogue planets.

As inertia rises with mass, it should be harder to alter the orbit of a more massive world than it would be to act on a smaller world. So, large worlds close to their local stars should tend to trace out near-circular orbits.

Smaller planets should, therefore, be more susceptible to this gravitational scattering than larger worlds. But, astronomers have detected giant worlds tracing out highly-elliptical paths around their parent star(s). These patterns are far different than that seen among our own family of worlds, where the inner solar system is filled with small planets, traveling along highly-circular orbits.

“Gas giant planets with orbital periods less than 400 days occur around about 5% of stars… We call these planets warm Jupiters,” Frelikh explains.

Exoplanets are usually found using one of two techniques. In systems where exoplanets travel in front of their star as seen from Earth, light from that star appears to dim as the planet passes between its sun and our home world. A regular pattern of dimming and brightening, unrelated to stellar processes, can reveal the presence of an exoplanet. The radial velocity method looks at the tiny gravitational tug a planet has on it’s parent star as a tell-tale sign of an alien world.

Using either of these methods, it is easier to find massive worlds close to their Sun. Highly-elliptical orbits also assist astronomers in finding gravitational pulls from undiscovered worlds, but this method works best for exoplanets close to their parent stars.

“It becomes difficult to detect planets this way beyond the distance of about Jupiter from the Sun. Planets smaller than Neptune are actually thought to be the most common type of exoplanet, but, especially at larger distances from the star, they become a lot harder to detect. The most massive planets would initially appear to be more common to us, and this is why when working with observational data sets it is crucial to consider the observational biases,” Frelikh tells The Cosmic Companion.

Practically A Planetary Mosh Pit

The team created a computer model based on a system containing 10 worlds. The total mass of each planet, as well as the total mass of the solar system, was altered each time a different simulation was conducted. Each simulation was run for 20 million (simulated!) years.

The planets modeled during this virtual investigation were much like Jupiter or Saturn, holding on to vast quantities of gases. Smaller worlds orbiting close to their stars can lose their atmospheres to space due to pressure coming from the nearby star. However, massive planets like the ones modeled in this study are able to retain their atmospheric cover.

“They will not lose a substantial amount of their atmospheres over their lifetimes because they are massive enough and far enough away from their host stars. For Jupiter-sized planets, atmospheric escape can become significant when they are extremely close to their host stars (closer than the orbit of Mercury from our Sun),” Frelikh describes for our readers.

Simulations showed planets interacting with each other and colliding, often forming larger bodies which continued to orbit near their parent star.

The largest planets produced in the simulations were produced at distances from the star between one and eight times greater than the distance between the Earth and Sun.

The final results of the study showed the systems with the greatest amount of total mass produced the largest worlds near the central star, and those planets had the greatest eccentricities seen in the virtual model.

This finding helps to answer mysteries of exoplanets, and could help researchers better model climates of distant worlds, some of which may be home to life.

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Two exoplanet families redefine what planetary systems can look like

Astronomers expect dense planets to lie close to a star and fluffy planets farther away. But TOI-178’s six worlds, shown in this artist’s illustration, are all jumbled up.

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February 5, 2021 at 6:00 am

Two tightly packed families of exoplanets are pushing the boundaries of what a planetary system can look like. New studies of the makeup of worlds orbiting two different stars show a wide range of planetary possibilities, all of them different from our solar system.

“When we study multiplanet systems, there’s simply more information kept in these systems” than any single planet by itself, says geophysicist Caroline Dorn of the University of Zurich. Studying the planets together “tells us about the diversity within a system that we can’t get from looking at individual planets.”

Dorn and colleagues studied an old favorite planetary system called TRAPPIST-1, which hosts seven Earth-sized planets orbiting a small dim star about 40 light-years away. Another team studied a recently identified system called TOI-178, which has at least six planets — three already known and three newly found — circling a bright, hot star roughly 200 light-years away.

Both systems offer planetary scientists an advantage over the more than 3,000 other exoplanet families spotted to date: All seven planets in TRAPPIST-1 and all six in TOI-178 have well-known masses and radii. That means planetary scientists can figure out their densities, a clue to the planets’ composition (SN: 5/11/18).

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The two systems also offer another advantage: The planets are packed in so close to their stars that most are engaged in a delicate orbital dance called a resonance chain. Every time an outer planet completes an orbit around its star, some of its closer-in sibling planets complete multiple orbits.

Resonance chains are fragile arrangements, and knocking a planet even slightly out of its orbit can destroy them. That means the TRAPPIST-1 and TOI-178 systems must have formed slowly and gently, says astronomer Adrien Leleu of the University of Geneva.

“We don’t think there could have been giant impacts, or strong interactions where one planet ejected another planet,” Leleu says. That gentle evolution gives astronomers a unique opportunity to use TRAPPIST-1 and TOI-178 as testbeds for planetary theory.

In a pair of papers, two teams describe these systems in unprecedented detail. Both buck the trend astronomers expected from theories of how planetary systems form.

In the TOI-178 system, the planets’ densities are all jumbled up, Leleu and colleagues report January 25 in Astronomy & Astrophysics.

“In the most vanilla scenario, we expect that planets farther from the star…would have larger components of hydrogen and helium gas than the planets closer in,” says astrophysicist Leslie Rogers of the University of Chicago, who was not involved in either study. The closer to the star, the denser a planet should be. That’s because farther-out planets probably formed where it’s cold, and there was more low-density material like frozen water, rather than rock, to begin with. Plus, starlight can strip atmospheres from close-in planets more easily than far-out ones, leaving the inner planets with thinner atmospheres — or no atmospheres at all (SN: 7/1/20).

TOI-178 flouts that trend entirely. The innermost planets seem to be rocky, with densities similar to Earth’s. The third one is “very fluffy,” Leleu says, with a density like Jupiter’s, but in a much smaller planet. The next planet out has a density like Neptune’s, about one-third Earth’s density. Then, there’s one with about 60 percent Earth’s density, still fluffy enough to float if you could put it in a tub of water, and the final planet is Jupiter-like.

“The orbits seem to point out that there was no strong evolution from [the system’s] formation,” Leleu says. “But the compositions are not what we would have expected from a gentle formation in the disk.”

TRAPPIST-1’s planet septet, on the other hand, has an eerie self-similarity. Each world is roughly the same size as Earth, between 0.76 and 1.13 times Earth’s radius, astrophysicist Eric Agol of the University of Washington in Seattle and colleagues reported in 2017 (SN: 2/22/17). Plus, at least three of them appear to be in the star’s habitable zone, the region where temperatures might be right for liquid water.

Now, Agol, Dorn and colleagues have made the most precise measurements of the TRAPPIST-1 masses yet. All seven worlds are almost identical to each other but slightly less dense than Earth, the team reports in the February Planetary Science Journal. That means the planets could be rocky yet have a lower proportion of heavy elements such as iron compared with Earth. Or it could mean they have more oxygen bound to the iron in their rocks, “basically rusting it,” Agol says.

TRAPPIST-1’s seven planets seem to have similar compositions to each other, but different from Earth. They could have an Earthlike makeup but with a smaller iron-rich core (center), or have no core at all (left). They could also have deep oceans (right), but the inner three planets are probably too hot for that much water to last. JPL-Caltech/NASA

TRAPPIST-1’s seven planets seem to have similar compositions to each other, but different from Earth. They could have an Earthlike makeup but with a smaller iron-rich core (center), or have no core at all (left). They could also have deep oceans (right), but the inner three planets are probably too hot for that much water to last. JPL-Caltech/NASA

Oxidized iron wouldn’t form a planetary core, which could be bad news for life, Rogers says. No core might mean no magnetic field to protect the planets from the star’s damaging flares (SN: 3/5/18).

However, it’s not clear how to form coreless planets. “There are propositions for how to form such planets, but we don’t actually have one candidate in the solar system where we see this,” Dorn says. The analogs in the solar system are all asteroid-sized bodies much less massive than Earth.

Astronomers may soon get a better handle on the compositions of TRAPPIST-1’s planets. The James Webb Space Telescope, set to launch in October, will probe the planets’ atmospheres (if they have any) for signs of chemical elements that would reveal in more detail what they’re made of.

The TRAPPIST-1 planets’ similarities to each other are not as surprising as the differences among TOI-178’s planets, Rogers says. But they’re still unexpected. If all the planets have identical compositions, then any formation model needs to explain that, she says.

While these systems challenge astronomers’ views of what sorts of planets are possible, Dorn says, it will take discovering more multiplanet systems to tell how weird they truly are.


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