共振节奏运动发现令人费解的六系外行星系统

天文学家使用包括欧洲南方天文台超大型望远镜（ESO的VLT）在内的多种望远镜组合，揭示了一个由六颗系外行星组成的系统，其中五个系外行星以罕见的节奏被锁定。研究人员认为，该系统可以为包括太阳系在内的行星如何形成和演化提供重要线索。

该团队第一次观察到TOI-178，这是一颗位于雕刻家星座中约200光年远的恒星，他们以为他们发现了在同一轨道上绕着它飞行的两颗行星。但是，仔细观察会发现完全不同的东西。“通过进一步的观察，我们发现没有两个行星围绕恒星运行，它们之间的距离大致相同，而是多个行星以非常特殊的配置，”日内瓦大学和伯尔尼大学的阿德里安·勒勒乌说，他领导了对这一系统的新研究，该研究于今天（2021年1月25日）在天文学和天体物理学中发表。

这位画家的印象展示了TOI-178系统中距行星最远运行的行星的视线。艾德里安·勒勒乌（Adrien Leleu）和他的同事用包括ESO的甚大望远镜在内的几台望远镜进行的新研究表明，该系统拥有六颗系外行星，并且除最靠近恒星外的所有系外行星都在其绕轨道运行时被锁定在
一种罕见的节奏中。尽管该系统中的轨道运动是和谐的，但行星的物理特性更加混乱，各个行星的密度存在显着变化。这种对比挑战了天文学家对行星如何形成和
演化的理解。这位艺术家的印象是基于已知的行星和恒星的物理参数，并使用了宇宙中庞大的物体数据库。

这项新的研究表明，该系统拥有六颗系外行星，并且除了最靠近恒星的一颗外，其他行星都被锁定在有节奏的舞蹈中，因为它们在轨道中运动。换句话说，它们是共鸣的。这意味着，当行星围绕恒星运转时，某些模式会重复出现，有些行星每隔几个轨道排列一次。在木星的三个卫星的轨道上观察到类似的共振：艾欧（Io），欧罗巴（Europa）和木卫三（Ganymede）。艾欧（Io）是最接近木星的三个行星，艾欧（Io）对最远的木卫三（Ganymede）制造的每个轨道完成围绕木星的四个完整轨道，而欧罗巴（Europa）的每个轨道则完成两个完整轨道。

天文学家使用包括欧洲南方天文台的超大型望远镜（ESO的VLT）在内的多种望远镜组合，揭示了一个由六颗系外行星组成的系统，其中五个系外行星以罕见的节奏围绕着它们的中央恒星。该视频总结了这些发现，并解释了为什么这个令人费解的系统正在挑战我们关于行星如何形成的理论。

TOI-178系统的五个外系外行星遵循更复杂的共振链，这是在行星系统中发现的最长的行星之一。当三个木星卫星以4：2：1共振时，TOI-178系统中的五个外行星遵循18：9：6：4：3链：而来自恒星的第二个行星（恒星中的第一个）共振链）完成18个轨道，距离恒星的第三颗行星（链中的第二个）完成9个轨道，依此类推。实际上，科学家最初只在系统中发现了五颗行星，但是通过遵循这种共振节奏，他们计算出当他们下次有一个观察该系统的窗口时，在其轨道上的另一颗行星。

共振的行星之舞不仅仅是轨道上的好奇心，还提供了有关该系统过去的线索。伯尔尼大学的合著者Yann Alibert解释说：“该系统的轨道排列得井井有条，这告诉我们该系统自诞生以来发展非常缓慢。”如果该系统在其生命的早期就受到了极大的干扰，例如受到了巨大的冲击，那么这种脆弱的轨道结构将无法幸免。

该动画显示了TOI-178系统中行星的轨道和运动。Adrien Leleu和他的同事用包括ESO的甚大望远镜在内的几台望远镜进行的新研究表明，该系统拥有六颗系外行星，除了最靠近恒星的一颗系外行星，随着它们在轨道上的移动，它们被锁定在一种罕见的节律中（表示为橙色）。换句话说，它们是共鸣的。这意味着当行星围绕恒星运转时，某些模式会有节奏地重复，有些行星每隔几个轨道排列一次。

在这位艺术家的动画中，行星围绕中心星的有节奏运动是通过音乐和谐来表现的，这种和谐是通过将音符（以五音阶）分配给共振链中的每个行星而产生的。当一颗行星完成一个完整的轨道或一半的轨道时，便会发出此音符。当行星在其轨道上的这些点对齐时，它们会共振。

瑞士日内瓦大学的内森·哈拉（Nathan Hara）表示，即使轨道的排列整齐且有序，行星的密度“也更加混乱”。“似乎旁边有一颗密度与地球一样高的行星，紧挨着一块非常蓬松的海王星，其密度为海王星的一半，其次是一颗密度为海王星的行星。这不是我们习惯的。”例如，在我们的太阳系中，行星排列整齐，岩石密集的行星更靠近中心恒星，而蓬松的低密度气体行星则更远。

Leleu说：“轨道运动的节奏协调性与无序密度之间的这种对比无疑挑战了我们对行星系统形成和演化的理解。”

这位艺术家的动画展示了TOI-178系统中行星的视图，该系统位于离恒星最远的轨道上，并且内部行星在背景中可见。阿德里安·勒勒乌（Adrien Leleu）和他的同事用包括ESO的甚大望远镜在内的几台望远镜进行的新研究表明，该系统拥有六颗系外行星，并且除了最靠近恒星的一颗系外行星，它们在轨道中移动时都处于一种罕见的节奏中。

该动画基于已知的行星和恒星的物理参数，并使用了宇宙中庞大的对象数据库。

为了调查该系统的非常规架构，研究小组使用了欧洲航天局CHEOPS卫星的数据，以及ESO的VLT和NGTS和SPECULOOS上的地面ESPRESSO仪器，两者均位于智利ESO的Paranal天文台。由于系外行星很难直接用望远镜发现，因此天文学家必须依靠其他技术来探测它们。所使用的主要方法是对影像进行成像-观察中心恒星发出的光（从地球观察时，系外行星越过中心星时该光变暗）以及径向速度-观察该恒星的光谱，观察是否存在晃动的小迹象。系外行星在轨道上运动。该团队使用两种方法来观察系统：CHEOPS，NGTS和SPECULOOS用于运输，而ESPRESSO用于径向速度。

该图显示了在雕刻家星座中行星系统TOI-178的位置。该地图包括在良好条件下肉眼可见的大多数恒星，并且该系统的位置由红色圆圈表示。

通过结合这两种技术，天文学家能够收集有关该系统及其行星的关键信息，这些信息绕其中心恒星运行的距离比地球绕太阳运行的距离要近得多，而且要快得多。最快的（最里面的行星）在短短几天内就完成了一个轨道，而最慢的行星大约要花十倍的时间。这六个行星的大小大约是地球大小的一到三倍，而它们的质量是地球质量的1.5到30倍。有些行星是岩石的，但比地球大-这些行星被称为超级地球。其他的是气态行星，就像太阳系中的外行星一样，但它们要小得多-它们被称为迷你海王星。

尽管发现的六个系外行星都没有位于恒星的宜居区域，但研究人员建议，通过继续共振链，他们可能会发现可能存在于该区域或非常接近该区域的其他行星。ESO的超大型望远镜（ELT）将于本十年开始运行，它将能够直接对恒星宜居区域中的岩石系外行星进行成像，甚至可以表征其大气层，从而提供了一个机会，甚至可以了解TOI-178等系统更详细的信息。

参考：A. Leleu，Y。Alibert，N。C. Hara，M。J. Hooton，T。G. Wilson，P。Robutel，J.-B撰写的“ TOI-178中的六个行星和Laplace共振链”。 Delisle，J.Laskar，S.Hoyer，C.Lovis，EM布莱恩特，E.Ducrot，J.Cabrera，J.Acton，V.Adibekyan，R.Allart，C.Allende Prieto，R.Alonso，D.Alves，安德森（DR Anderson）等人，2021年1月25日，天文学与天体物理学。
10.1051/0004-6361/202039767

该团队由A. Leleu（日内瓦大学天文台[UNIGE]，伯尔尼大学[Bern]），Y。Alibert（伯尔尼），NC Hara（UNIGE），MJ Hooton（伯尔尼）组成），TG威尔逊（英国圣安德鲁斯大学SUPA物理与天文学学院，系外行星科学中心），罗布泰尔（IMCCE，UMR8028 CNRS，法国巴黎天文台[IMCCE]），J。 -B Delisle（UNIGE），J.Laskar（IMCCE），S.Hoyer（Aix Marseille Univ，CNRS，CNES，LAM，法国[AMU]），C.Lovis（UNIGE），EM Bryant（欧洲大学物理系）英国沃里克[华威]，华威大学[系]系外行星与可居住性中心，E。杜克洛特[E. Ducrot]（比利时列日大学[University deLiège]天体生物学研究组），卡布雷拉[J. Cabrera]（德国航空航天学院，行星研究所）中心（DLR），德国柏林[行星研究所，DLR]，J。阿克顿（英国莱斯特大学物理与天文学学院[莱斯特]），阿迪贝克（V. Adibekyan）（阿斯特研究所）葡萄牙波尔图大学的西班牙文化学院，西班牙波尔图大学天文学中心，波尔图大学天文系，意大利波尔图大学[CAUP]，拉尔·阿尔特（UNIGE），C，阿连德·普列托（Institu）卡纳里亚斯的德·阿斯特罗菲西卡·德·特内里费[IAC]，拉古纳大学·特内里费[天文]，阿·朗斯（IAC，ULL），D·阿尔维斯（Camino El Observatorio 1515，拉斯·孔德斯，圣地亚哥，智利） ，D. R安德森（华威，CEH），D.安格豪森（ETH苏黎世，粒子物理与天体物理研究所），G.安格拉达·埃斯库德（西班牙西班牙理工学院[ICE，CSIC]，西班牙贝拉泰拉，西班牙研究所） 'Estudis Espacials de Catalunya [IEEC]，西班牙巴塞罗那），J。Asquier（ESTEC，ESA，Noordwijk，荷兰[ESTEC]），D。Barrado（Depto。 deAstrofísica，天体生物学中心[CSIC-INTA]，西班牙马德里），SCC Barros（IA，波尔图大学天文学系，IA波尔图大学），W。Baumjohann（奥地利奥地利科学院空间研究所），D贝利斯（华威，CEH），贝克（UNIGE），贝克（伯恩），贝克利恩（UNIGE），奔驰（伯恩，瑞士伯尔尼空间与可居住性中心[CSH]），北。 Billot（UNIGE），A。Bonfanti（IWF），X。Bonfils（UniversitéGrenoble Alpes，CNRS，IPAG，法国格勒诺布尔），F。Bouchy（UNIGE），V。Bourrier（UNIGE），G。Boué（IMCCE）， A. Brandeker（瑞典斯德哥尔摩大学天文系），C。Broeg（伯尔尼），M。Buder（德国航空航天中心（DLR）光学传感器系统研究所[DLR]光学传感器系统研究所），A。 Burdanov（列日，美国麻省理工学院地球，大气和行星科学系），MR Burleigh（莱斯特），T。Bárczy（阿德玛提斯，匈牙利Miskok），AC Cameron（圣安德鲁斯），S。Chamberlain（莱斯特） ），S。Charnoz（巴黎大学，法国国立物理研究所巴黎大学，法国CNRS），BF Coo​​ke（沃里克，CEH），C。Corral Van Damme（ESTEC），ACM Correia（CFisUC，大学物理系）葡萄牙科英布拉，IMCCE，UMR8028 CNRS（法国巴黎天文台），S。Cristiani（INAF –意大利的里雅斯特的天文台[INAF Trieste]），M。Damasso（INAF –意大利的都灵的天文台） ]），MB Davies（瑞典隆德大学天文与理论物理系隆德天文台），M。Deluil（AMU），L。Delrez（AMU，空间科学，技术与天体物理研究[STAR]研究所）比利时列日（UNIGE），ODS Demangeon（IA），B.-O。德莫里（CSH），迪·马坎托尼奥（INAF的里雅斯特），迪·迪。佩尔西奥（INAF，意大利罗马天体物理学研究所，罗马），十世杜穆斯克（UNIGE），埃伦里希（UNIGE），埃里克森（DLR），行星研究研究所，菲格里拉（Astrofísicae研究所） CiênciasdoEspaço，波尔图大学，ESO Vitacura），A。Fortier（伯尔尼，CSH），L。Fossato（奥地利科学院太空研究所，格拉茨，奥地利[IWF]），M。Fridlund（大学莱顿天文台）莱顿（荷兰），查尔默斯理工大学空间与地球与环境系，瑞典Onsala空间天文台（查尔默斯），D。Futyan（UNIGE），D。Gandolfi（Dispartimento di Fisica，Universitàdegli Studi di Torino，意大利），加西亚·穆尼兹（A.GarcíaMuñoz）（德国柏林技术大学天文学和天体物理学中心），加西亚（列日），吉尔（S. Gill）（CEH沃里克），吉伦（E. Gillen）（伦敦玛丽大学天文学系，英国，卡文迪许实验室，英国剑桥[Cavendish实验室]），吉伦（M. Gillon）（列日），戈德（MR Goad）（莱斯特），吉·冈萨雷斯（JIGonzález） Hernández（IAC，ULL），M。Guedel（维也纳大学，天体物理学系，奥地利），MNGünther（美国麻省理工学院物理系和Kavli天体物理与空间研究所，美国），J。Haldemann（伯尔尼） ），亨德森（莱斯特），亨（CSH），霍根（莱斯特），杰因（STAR），詹金斯（智利大学天文系，智利大学，智利圣地亚哥，智利，阿斯特罗菲西卡和特克诺洛奇中心） （CATA），智利圣地亚哥），A。Jordán（智利阿道夫·伊巴涅斯大学，智利圣地亚哥天文物理研究所，智利千禧天文物理研究所），L。Kiss（智利天文与地球科学研究中心康科利天文台，匈牙利布达佩斯），MH克里斯蒂安森（Brorfelde天文台，吉尔登科恩斯天文台，丹麦，DTU空间，丹麦技术大学国家空间研究所，丹麦），K。Lam（行星科学研究所，DLR），B。Lavie（UNIGE）， A. Lecavelier des Etangs（P天体研究所阿里斯（Aris），UMR7095 CNRS，法国皮埃尔和玛丽居里大学，法国巴黎），伦迪尔（UNIGE），里洛-博克斯（Depto。 deAstrofísica，天文生物中心（CSIC-INTA），西班牙马德里ESAC校区，G。Lo Curto（ESO Vitacura），D。Magrin（INAF，意大利帕多瓦天文台[INAF Padova]，CJAP Martins（ IA，CAUP），PFL Maxted（英国基尔大学天体物理学组），J。McCormac（沃里克），A。Mehner（ESO Vitacura），G。Micela（意大利国际航天局–意大利巴勒莫天文台），P。Molaro（ INAF的里雅斯特，IFPU的里雅斯特），M。Moyano（北智利天主教大学，智利安托法加斯塔大学天文研究所），CA Murray（Cavendish实验室），V.Nascimbeni（意大利国际基础设施研究所，意大利帕多瓦天文台，意大利国家航天局），NJ Nunes（Instituto To Padova）葡萄牙里斯本国立大学图书馆，葡萄牙里斯本国立大学，G。Olofsson（瑞典斯德哥尔摩大学天文学系），HP Osborn（CSH，马萨诸塞州物理系和卡夫里天体物理与空间研究所）美国技术学院），奥沙格（IAC，ULL），奥滕萨默尔（O系） f奥地利维也纳大学天体物理学），帕加诺一世（INAF，意大利卡塔尼亚天文台），帕勒（IAC，ULL），佩德森（Cavendish Laboratory），佩佩（UNIGE），C.M。Persson（查尔默斯），G。Peter（德国航空航天中心（DLR）光学传感器系统研究所，德国柏林），G。Piotto（INAF帕多瓦，Fisica e Astronomia“ Galileo Galilei”分部，Universitàdegli Studi di Padova大学，意大利），G。Polenta（意大利罗马的空间科学数据中心），D.Pollacco（沃里克），E.Poretti（FundaciónG. Galilei – INAF（Telescopio Nazionale Galileo），西班牙拉帕尔马，INAF – Osservatorioio Astronomico di布雷拉（意大利梅拉特），FJ Pozuelos（列日，STAR），F。Pozuelos（列日，STAR），D。Queloz（UNIGE，卡文迪许实验室），R。Ragazzoni（INAF帕多瓦），N。Rando（ESTEC），F拉蒂（ESTEC），H。劳尔（DLR行星研究所），雷纳德（莱斯特），雷博洛（IAC，ULL），雷蒙斯（C. Reimers）（奥地利维也纳大学天体物理学系），我里巴斯（西班牙西班牙科学研究所（ICE，CSIC），西班牙加泰罗尼亚西班牙教育研究所（IEEC），西班牙巴塞罗那），北卡罗莱纳州桑托斯（IA，费斯托卡天文学部，波尔图大学） G 。Scandariato（INAF，意大利卡塔尼亚天文台），J。Schneider（法国巴黎天文台），D。Sebastian（英国伯明翰大学物理天文学学院），M。Sestovic（CSH），AE西蒙（伯恩），AMS史密斯（DLR行星研究所），SG苏萨（IA），索佐蒂（INAF都灵），斯特勒（IWF），苏亚雷斯·马斯卡雷尼奥（IAC，ULL），通用·萨博（GMSzabó（ ELTEEötvösLoránd大学，匈牙利哥德天体物理观测站，MTA-ELTE系外行星研究组，匈牙利），DSégransan（UNIGE），北托马斯（伯恩），S。Thompson（科文迪什实验室），RH Tilbrook（莱斯特），A。 Triaud（伯明翰），S。Udry（UNIGE），V。Van Grootel（STAR），H。Venus（光学传感器系统研究所，DLR），F。Verrecchia（空间科学数据中心，ASI，意大利罗马，INAF， Osservatorio Astronomico di Roma，意大利），JI Vines（智利圣地亚哥的Camino El Observatorio 1515，智利圣地亚哥），NA Walton（英国剑桥大学天文研究所），RG RG（Warwick，CEH）， P. K. Wheatley（华威，CEH），D。Wolter（行星科学研究所，DLR），M。R. Zapatero Osorio（西班牙天文生物学中心（CSIC-INTA），西班牙马德里）。