Baile de armonía en el intrigante sistema multi-planetario de TOI-178

• Nombre del artículo: 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.

• Institución del primer autor: Observatoire Astronomique de l’Université de Genéve, Chemin Pegasi 51, Versoix, Switzerland
• Estado de la publicación: publicado en A&A [acceso abierto, disponible en Arxiv]
• Astrobite original: Dance of Harmony in Intriguing TOI-178 Multi-planetary System por Sayyed Ali Rafi

Crédito de la imagen destacada: ESO/L. Calçada

Nota: Esto fue un Astrobite escrito por un invitado: Sayyed Ali Rafi, un estudiante de astronomía de Indonesia dentro de una maestría en la Universidad de Tokyo en Japón. Su investigación involucra caracterizar las atmósferas de Júpiteres Calientes a través de su espectra del día utilizando datos de NIR de alta resolución de Subaru/IRD. Fuera de su trabajo, es un amante de gatos y le encanta participar en actividades involucrando videojuegos.

Aunque se conoce que más de 3500 estrellas tienen planetas, solamente 800 de ellas tienen más de un planeta. ¡TOI-178 es un ejemplo aún mas extraño pues tiene 6 planetas orbitando a su alrededor, lo que lo hace un sistema único pues solo se han descubierto 8 estrellas que contienen el mismo número de planetas! Aun más, este sistema tiene una resonancia Laplace (una resonancia especial de la cual hablaremos después), lo cual solamente se encuentra en otros 6 sistemas multiplanetarios. La resonancia en estos sistemas es un fenómeno interesante porque nos da información valiosa sobre la manera en que estos sistemas planetarios se forman y evolucionan. Esto hace que TOI-178 sea un caso muy especial para estudiar. Así que comencemos.

Consiguiendo los parámetros orbitales de los planetas

Primero que nada, ¿cómo encontraron estos planetas? Lo primero fue investigar la presencia de estos planetas usando los datos de tránsito (curvas de luz) de TESS. Después, realizaron un seguimiento del tránsito observándolo con tres telescopios en el rango espectral del óptico al infrarojo cercano (NIR, por sus siglas en inglés): un telescopio espacial, CHEOPS, y dos en la tierra, NGTS y SPECULOOS. Las observaciones iniciales con TESS fueron combinadas con sus segundas versiones y revelaron la existencia de seis planetas con periodos de 1.91, 3.24, 6.55, 9.96, 15.24 y 20.71 días (los planetas b, c, d, e, f y g respectivamente). Los autores usan la interferencia Bayesiana para encontrar los mejores modelos para los datos de tránsito asumiendo órbitas circulares (Figura 1). Cuando se encuentra el modelo que mejor se ajusta a los datos, es posible extraer los parámetros orbitales del sistema. Al modelar tránsitos, puedes inferir varios parámetros así como el radio e inclinación del planeta, pero no la masa del mismo.

Para obtener aún mas detalles de estos planetas (así como su masa), los autores obtuvieron observaciones de velocidad radial con ESPRESSO. Los autores utilizaron estos datos para obtener la masa (y con esto la densidad) de los planetas al asumir órbitas circulares.

Un baile de armonía

Después de que todos los parámetros fueron obtenidos, los autores encontraron que este sistema tiene resonancias de mociones promedias (MMRs por sus siglas en inglés). Los MMRs son configuraciones orbitales donde un par de planetas tienen una proporción igual o cercana a un número entero. En otras palabras, si un par de planetas tiene una proporción de periodos de 2:1 por ejemplo, entonces el planeta externo completa uno de sus periodos al mismo tiempo que el interno completa dos. Nuestro sistema tiene las siguientes proporciones: Pc/Pb≈5/3, Pd/Pc≈2/1, Pe/Pd≈3/2, Pf/Pe≈3/2, y Pg/Pf≈2/1. Cuando un par no tiene un número exacto para su MMR (lo cual es el caso de todos esos pares), es conveniente definir la “distancia” a la resonancia exacta expresada como “ángulos resonantes”. Los autores entonces encontraron que la derivada del tiempo para los pares c-d, d-e, e-f y f-g tiene aproximadamente el mismo valor (~1.37°/día) ¿Esto qué significa? Pues, ¡esto indica que la diferencia entre los ángulos para los diferentes pares es prácticamente cero! Pero, ¿cuál es la importancia de esto? Los autores explicaron que esta condición denota la presencia de una resonancia Laplace: una resonancia de tres cuerpos donde cada par consecutivo tienen prácticamente el mismo valor de su MMR. La resonancia Laplace en este sistema en unidades de proporciones de periodo es 2:4:6:9:12 para el planeta c al g (con tres resonancias Laplace de los pares c-d-e, d-e-f, y e-f-g), o 18:9:6:4:3 en proporciones orbitales. En otras palabras, el planeta c completa 18 órbitas mientras que el planeta d completa 9. Este video de YouTube muestra una animación de la ESO donde se pueden ver las resonancias del sistema.

Hermoso, ¿verdad? Un baile de armonía.

¿Qué implica esta resonancia en el sistema?

Al parecer, las resonancias estabilizan el sistema. Por ejemplo, veamos el planeta f. La Figura 2 muestra que para que el planeta f se mantenga estable, la excentricidad tiene que ser muy pequeña para tener un periodo pequeño y estable. El mismo mapa producido para los otros planetas muestran las mismas características. Los resultados indican que la estabilidad del sistema depende mucho en la excentricidad y que la excentricidad igual a cero da el resultado más estable. Los picos verdes en el mapa son posibles MMRs. Ellos muestran una región estable para e<0.01.

Otros mapas de estabilidad que presentan los autores dan las mismas conclusiones: los parámetros orbitales y físicos (y por lo tanto las resonancias) que los autores obtuvieron al encontrar la curva de luz denotan una solución estable para este sistema. Al menos para los siguientes cien millones de años.

Una esperanza

Finalmente, ¿qué pasa con la habitabilidad de TOI-178? La zona habitable de TOI-178 está a una distancia de 0.2 AU, o en un periodo de aproximadamente 40 días. Desafortunadamente, ninguno de estos seis planetas parecen estar en esta zona. Pero, la verdad es que no hay una razón por la cual estos sean los únicos planetas en este sistema. De hecho, los autores explican que el MMR no tiene ninguna razón para parar en el planeta g. Esto implica que puede haber planetas sin detectar en este sistema. Una de las limitaciones para detectar estos planetas es que los datos son limitados. Por lo tanto, observaciones adicionales con más tiempo de observación puede revelar un planeta adentro de, o al menos muy cercano a, la zona habitable, ¡lo cual es muy emocionante!

Para concluir

Gracias a las resonancias Laplace de estos planetas, TOI-178 tiene un sistema planetario que va a ser estable por los siguientes cien millones de años. Aunque ninguno de sus planetas se encuentra en la zona habitable, hay predicciones teóricas que indican que pueden existir planetas sin detectar que se pueden encontrar cerca de esta zona. ¡Este sistema planetario puede ser un objeto de estudio para el futuro!

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