Credito immagine: NWU
Le orbite peculiari di tre pianeti che si snodano attorno a una stella lontana possono essere spiegate solo se un quarto pianeta invisibile ha fatto un errore e li ha fatti cadere dalle loro orbite circolari, secondo un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Università della California, Berkeley e Northwestern University.
La conclusione si basa su estrapolazioni al computer di 13 anni di osservazioni sui movimenti del pianeta attorno alla stella Upsilon Andromedae. Suggerisce che le orbite non circolari e spesso altamente ellittiche di molti dei pianeti extrasolari scoperti fino ad oggi potrebbero essere il risultato della dispersione di pianeti l'uno dall'altro. In un tale scenario, il pianeta perturbato potrebbe essere espulso completamente dal sistema o potrebbe essere lanciato in un'orbita lontana, lasciando i pianeti interni con orbite eccentriche.
"Questo è probabilmente uno dei due o tre sistemi extrasolari che hanno le migliori osservazioni e i vincoli più stretti, e racconta una storia unica", ha dichiarato Eric Ford, un membro postdottorato di Miller alla UC Berkeley. "La nostra spiegazione è che l'orbita originale del pianeta esterno era circolare, ma ha avuto questo calcio improvviso che ha cambiato definitivamente la sua orbita in estremamente eccentrico. Per dare quel calcio, abbiamo ipotizzato che esistesse un altro pianeta che non vediamo ora. Ora crediamo di capire come funziona questo sistema. "
Se un tale pianeta si fosse abbattuto attraverso il nostro sistema solare all'inizio della sua storia, i ricercatori hanno osservato, i pianeti interni potrebbero non avere orbite così piacevolmente circolari e, sulla base delle attuali ipotesi sulle origini della vita, il clima della Terra potrebbe oscillare troppo perché la vita sia sorta.
"Mentre i pianeti nel nostro sistema solare rimangono stabili per miliardi di anni, non è stato il caso dei pianeti che orbitano in Upsilon Andromedae", ha detto Ford. "Mentre quei pianeti potrebbero essersi formati in modo simile a Giove e Saturno, le loro orbite attuali sono state scolpite da una fase tardiva di interazioni caotiche e violente".
Secondo il collega Ford, Frederic A. Rasio, professore associato di fisica e astronomia presso la Northwestern, "I nostri risultati mostrano che un semplice meccanismo, spesso chiamato" scattering pianeta-pianeta "- una sorta di effetto fionda dovuto all'improvvisa attrazione gravitazionale tra due i pianeti quando si avvicinano molto l'uno all'altro - devono essere responsabili delle orbite altamente eccentriche osservate nel sistema Upsilon Andromedae. Crediamo che la dispersione pianeta-pianeta si sia verificata frequentemente nei sistemi planetari extrasolari, non solo in questo, a causa di forti instabilità. Quindi, mentre i sistemi planetari attorno ad altre stelle possono essere comuni, i tipi di sistemi che potrebbero sostenere la vita, che, come il nostro sistema solare, presumibilmente devono rimanere stabili su scale temporali molto lunghe, potrebbero non essere così comuni. "
Le simulazioni al computer sono riportate nel numero del 14 aprile della rivista Nature di Ford, Rasio e Verene Lystad, una studentessa laureanda in fisica presso la Northwestern. Ford era uno studente di Rasio presso il Massachusetts Institute of Technology prima di proseguire gli studi universitari alla Princeton University e di arrivare all'Università di Berkeley nel 2004.
Il sistema planetario attorno a Upsilon Andromedae è uno dei più studiati dei 160-alcuni sistemi con pianeti scoperti finora al di fuori del nostro sistema solare. Il pianeta interno, un "Giove caldo" così vicino alla stella che la sua orbita è di pochi giorni, è stato scoperto nel 1996 da Geoff Marcy dell'UC Berkeley e dalla sua squadra di cacciatori di pianeti. I due pianeti esterni, con orbite allungate che si perturbano fortemente, furono scoperti nel 1999. Questi tre, enormi pianeti simili a Giove attorno a Upsilon Andromedae comprendevano il primo sistema extrasolare multi-pianeta scoperto dalla spettroscopia Doppler.
A causa della natura insolita delle orbite planetarie intorno a Upsilon Andromedae, Marcy e il suo team l'hanno studiato intensamente, facendo quasi 500 osservazioni - 10 volte di più rispetto alla maggior parte degli altri pianeti extrasolari che sono stati trovati. Queste osservazioni, le oscillazioni nel movimento della stella indotte dai pianeti in orbita, consentono una rappresentazione molto precisa dei movimenti dei pianeti attorno alla stella.
"Le osservazioni sono così precise che possiamo guardare e prevedere cosa accadrà per decine di migliaia di anni in futuro", ha detto Ford.
Oggi, mentre il pianeta più interno si stringe vicino alla stella, i due pianeti esterni orbitano in orbite a forma di uovo. Le simulazioni al computer dei cambiamenti orbitali passati e futuri hanno mostrato, tuttavia, che i pianeti esterni sono impegnati in una danza ripetitiva che, una volta ogni 7000 anni, porta l'orbita del pianeta medio in un cerchio.
"Quella proprietà di tornare su un'orbita molto circolare è abbastanza notevole e generalmente non accade", ha detto Ford. “La spiegazione naturale è che una volta erano entrambi in orbite circolari e uno ha avuto un grande calcio che lo ha reso eccentrico. Quindi, la successiva evoluzione ha fatto sì che l'altro pianeta aumentasse la sua eccentricità, ma a causa della conservazione dell'energia e del momento angolare, ritorna periodicamente in un'orbita quasi quasi circolare. "
In precedenza, gli astronomi avevano proposto due possibili scenari per la formazione del sistema planetario di Upsilon Andromedae, ma i dati osservativi non erano ancora sufficienti per distinguere i due modelli. Un altro astronomo, Renu Malhotra dell'Università dell'Arizona, aveva precedentemente suggerito che lo scattering pianeta-pianeta avrebbe potuto eccitare le eccentricità di Upsilon Andromedae. Ma una spiegazione alternativa sosteneva che anche le interazioni tra i pianeti e un disco di gas che circondava la stella avrebbero potuto produrre orbite così eccentriche. Combinando ulteriori dati osservativi con nuovi modelli di computer, Ford e i suoi colleghi sono stati in grado di dimostrare che le interazioni con un disco di gas non avrebbero prodotto le orbite osservate, ma che le interazioni con un altro pianeta le avrebbero prodotte naturalmente.
"La principale caratteristica distintiva tra queste teorie era che le interazioni con un disco esterno avrebbero causato il cambiamento molto lento delle orbite e una forte interazione con un pianeta di passaggio avrebbe causato il cambiamento molto rapido delle orbite rispetto alla scala temporale di 7000 anni per il orbite per evolversi ", ha detto Ford. "Poiché le due ipotesi fanno previsioni diverse per l'evoluzione del sistema, possiamo limitare la storia del sistema in base alle attuali orbite planetarie."
Ford disse che mentre i pianeti si formavano all'interno di un disco di gas e polvere, la resistenza sui pianeti avrebbe mantenuto circolari le loro orbite. Una volta che la polvere e il gas si sono dissipati, tuttavia, solo un'interazione con un pianeta di passaggio avrebbe potuto creare le orbite particolari dei due pianeti esterni osservati oggi. Forse, notò, il pianeta perturbato fu abbattuto sui pianeti interni da interazioni con altri pianeti lontani dalla stella centrale.
Comunque sia, le interazioni caotiche che ne sarebbero derivate avrebbero creato un'orbita molto eccentrica per il terzo pianeta, che poi avrebbe gradualmente perturbato l'orbita del secondo pianeta. Poiché il pianeta esterno domina il sistema, nel tempo ha perturbato l'orbita del pianeta medio abbastanza da deformarlo lentamente anche in un'orbita eccentrica, che è ciò che si vede oggi, anche se ogni 7000 anni circa, il pianeta centrale ritorna gradualmente in una circolare orbita.
"Questo è ciò che rende il sistema così particolare", ha detto Rasio. “Normalmente, l'accoppiamento gravitazionale tra due orbite ellittiche non farebbe mai tornare uno a un cerchio quasi perfetto. Un cerchio è molto speciale. "
"Inizialmente l'obiettivo principale della nostra ricerca era di simulare il sistema planetario di Upsilon Andromedae, essenzialmente al fine di determinare se i due pianeti esterni giacciono sullo stesso piano come fanno i pianeti del sistema solare", ha affermato Lystad, che ha iniziato a lavorare con Rasio quando era al secondo anno e fece molte delle integrazioni al computer come parte della sua tesi di laurea. "Siamo rimasti sorpresi nello scoprire che, per molte delle nostre simulazioni, era difficile stabilire se i pianeti si trovassero sullo stesso piano a causa del fatto che l'orbita del pianeta centrale è diventata periodicamente così quasi circolare. Quando abbiamo notato che questo strano comportamento era presente in tutte le nostre simulazioni, lo abbiamo riconosciuto come un segno distintivo di un sistema che aveva subito la dispersione pianeta-pianeta. Ci siamo resi conto che stava succedendo qualcosa di molto più interessante di quanto chiunque avesse mai trovato prima ”.
Comprendere ciò che è accaduto durante la formazione e l'evoluzione di Upsilon Andromedae e di altri sistemi planetari extrasolari ha importanti implicazioni per il nostro sistema solare.
"Quando ti rendi conto che la maggior parte dei pianeti extrasolari conosciuti hanno orbite altamente eccentriche (come i pianeti di Upsilon Andromedae), inizi a chiederti se potrebbe esserci qualcosa di speciale nel nostro sistema solare", ha detto Ford. “La diffusione violenta del pianeta-pianeta potrebbe essere così comune che pochi sistemi planetari rimangono calmi e abitabili? Fortunatamente, gli astronomi - guidati da Geoff Marcy, professore di astronomia alla UC Berkeley - stanno diligentemente facendo le osservazioni che alla fine risponderanno a questa eccitante domanda. "
La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e dal Miller Institute for Basic Research di UC Berkeley.
Fonte originale: Berkeley News Release
