Descubren la danza sincronizada de un sistema de seis planetas

Al trazar un enlace entre dos planetas vecinos a intervalos regulares de tiempo a lo largo de sus órbitas, se crea un patrón único para cada pareja. Los seis planetas del sistema HD110067 crean juntos un fascinante patrón geométrico debido a su cadena de resonancia. Crédito: © CC BY-NC-SA 4.0, Thibaut Roger/NCCR PlanetS

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Una colaboración internacional, en la que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), halla un sistema planetario de seis exoplanetas que orbitan alrededor de su estrella central siguiendo un ritmo preciso. Este fenómeno, conocido como resonancia orbital, es común en los momentos iniciales de la formación planetaria, aunque resulta excepcional encontrar sistemas con una cadena tan larga de planetas que conserven este tipo de sincronización gravitatoria. El hallazgo demuestra que el sistema no ha sufrido grandes cambios a lo largo de sus mil millones de años de historia, por lo que ofrece una visión insólita de la formación y evolución planetaria. Los resultados del estudio se publican en la revista Nature. 

Gracias a una colaboración entre el consorcio del satélite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de la NASA y CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite) de la Agencia Espacial Europea (ESA), un equipo científico internacional ha descubierto un sistema formado por seis planetas que orbitan alrededor de la estrella HD110067. Esta se encuentra a unos 100 años luz de distancia, en la constelación septentrional de Coma Berenices, y es más pequeña y fría que el Sol.

Los planetas que alberga HD110067 pertenecen al grupo de los denominados subneptunos, es decir, planetas más pequeños que Neptuno. Aun tratándose de una extraña familia, la característica más distintiva de este sistema es su peculiar cadena de resonancias. Este fenómeno se produce cuando los planetas giran alrededor de su estrella anfitriona en perfecta armonía, siguiendo un vals orbital que se repite con precisión.

En este caso, el planeta más cercano a la estrella realiza tres órbitas por cada dos del siguiente planeta (lo que se denomina resonancia 3:2), un patrón que se repite entre los cuatro planetas más cercanos. En cambio, entre los planetas más exteriores, se repite un patrón de cuatro órbitas por cada tres del planeta siguiente (una resonancia 4:3). Esta cadena resonante da lugar a que cuando el planeta más cercano completa seis órbitas, el más externo da exactamente una en el mismo tiempo.

Tras la pista de una misteriosa familia planetaria

El descubrimiento de este sistema planetario es casi una novela policíaca. Las primeras sospechas de la presencia de exoplanetas surgieron tras las observaciones del satélite TESS de la NASA, que rastrea la aparente disminución de brillo o “tránsitos” que los planetas producen al pasar por delante de sus estrellas. Los equipos científicos identificaron dos planetas interiores, con periodos orbitales de 9 días para el más cercano y de 14 días para el siguiente.

Posteriormente, datos del satélite CHEOPS identificaron un tercer planeta con un periodo orbital de unos 20 días, quedando patente que las órbitas de los tres planetas coincidían con una resonancia 3:2. El equipo consideró entonces la posibilidad de que otros planetas también formaran parte de la cadena de resonancias. "CHEOPS nos proporcionó una configuración resonante que nos permitió predecir todos los demás períodos”, explica Rafael Luque, investigador de la Universidad de Chicago que ha liderado el estudio.

El estudio combinado de los datos observacionales existentes con modelos matemáticos de interacciones gravitatorias predijo la existencia de tres planetas exteriores con periodos orbitales de 31, 41 y 55 días. Observaciones posteriores con CHEOPS y el reanálisis de los datos de TESS confirmaron que estos planetas se encontraban precisamente donde la cadena de resonancia predecía. 

Un descubrimiento clave para el futuro

Los sistemas tienden a formarse en resonancia en las etapas iniciales de su formación, pero pueden perturbarse fácilmente. Choques entre planetas, fusiones o rupturas, la presencia de planetas gigantes como Júpiter e incluso el paso cercano de otra estrella, pueden alterar el equilibrio orbital. En consecuencia, la mayoría (99%) de los sistemas multiplanetarios conocidos no están en resonancia, aunque podrían haberlo estado alguna vez. 

"Entre los más de 5.000 exoplanetas descubiertos orbitando otras estrellas distintas de nuestro Sol, las resonancias no son raras, como tampoco lo son los sistemas con varios planetas", señala Enric Pallé, investigador del IAC y coautor del estudio. "Lo que es extremadamente raro, sin embargo, es encontrar sistemas en los que las resonancias abarquen una cadena tan larga de seis planetas, lo que demuestra que este sistema no ha sufrido grandes cambios desde su formación hace más de mil millones de años", añade.

Otro aspecto importante del hallazgo es que HD110067 es el sistema más brillante conocido con cuatro o más planetas. Dado que todos estos planetas tienen un tamaño inferior a Neptuno y atmósferas probablemente extendidas de hidrógeno y helio, son candidatos ideales para realizar nuevos estudios que permitan determinar la composición química y otras propiedades de sus atmósferas.

"Los planetas del sistema HD110067 parecen tener masas bajas, lo que sugiere que pueden ser ricos en gas o agua. Futuras observaciones de estas atmósferas planetarias, por ejemplo, con el telescopio espacial James Webb (JWST), podrían determinar si los planetas tienen estructuras interiores rocosas o ricas en agua", destaca Pallé.

Este hallazgo ha contado con una importante participación española que ha destacado, especialmente, en las medidas de la masa de cuatro de estos exoplanetas realizadas con los espectrógrafos CARMENES (Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Échelle Spectrographs), en el Observatorio de Calar Alto (CAHA), y HARPS-N (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher), en el Observatorio del Roque de los Muchachos (ORM). Cientos de medidas han sido necesarias para desentrañar las señales superpuestas de cada uno de los planetas de este sistema. En la detección de tránsitos también se han utilizado observaciones del instrumento MuSCAT2 (Multicolour Simultaneous Camera for studying Atmospheres of Transiting exoplanets), instalado en el Telescopio Carlos Sánchez (TCS), en el Observatorio del Teide. 

Además de Enric Pallé, por parte del IAC han participado en el estudio: Ilaria Carleo, Jaume Orell Miquel, Roi Alonso, Hans Deeg, Emma Esparza Borges, Felipe Murgas y Hannu Parviainen.

Artículo: R. Luque et al. “A resonant sextuplet of sub-Neptunes transiting the bright star HD 110067”, Nature, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06692-3

Contacto en el IAC:
Enric Pallé, epalle [at] iac.es

Animación de las órbitas de los seis planetas alrededor de HD110067. Las órbitas y los tamaños de los planetas están a escala relativa entre sí (aunque no con respecto al tamaño de la estrella). La banda amarilla indica la región de tránsito en la que podemos observar a los planetas pasando por delante de HD110067. El tono de las notas reproducidas cuando cada planeta transita coincide con el cambio resonante en las frecuencias orbitales entre cada planeta subsiguiente. Crédito: Animación y música de Hugh Osborn (Universidad de Berna)

 *En este resultado participa personal científico de la línea de investigación del IAC Sistemas Planetarios y Sistema Solar apoyada por el Programa Severo Ochoa.

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