Discovery of six planets that resonate with “HD 110067”, important “fossils” in planetary science | sorae universe portal website

Its size is intermediate between Earth and Neptune.Neptune(quasi-Neptune)(*There is a discussion of definitions at the end of the text)Planets, called planetesimals, have been found around many stars, but their composition and origin are largely unknown. Examining the formation process of such planets provides clues to understanding the formation process of different types of planetary systems, including the solar system.

Through careful monitoring of observational data and additional observations conducted by an international research team led by Rafael Luke of the University of Chicago, the star “HD 110067“(TIC 347332255, TOI 1835) A total of six planets have been found. These six planets have orbital periods expressed in simple integer ratios.Orbital resonanceThe planets were investigated and discovered on the basis that they have an orbital resonance relationship, and it is a very rare discovery that a large number of planets are in an orbital resonance relationship.Planetary systems in orbital resonance are thought to be “fossils” that reflect orbits at the time of their formation, making this an important discovery in exploring the formation process of sub-Neptunian planets.I can say that.

■ سر Subneptune، الكوكب الوسيط بين الأرض ونبتون

الكواكب الموجودة في النظام الشمسي هي “الكواكب الغازية العملاقة (كواكب من نوع المشتري)” التي تتكون بشكل رئيسي من الهيدروجين والهيليوم، و”الكواكب الجليدية العملاقة (كواكب من نوع أورانوس وكواكب من نوع نبتون)” التي تحتوي على العديد من المواد التي هي أثقل من الهيدروجين والهيليوم ولكنها أخف من الصخور، و«الكواكب الصخرية (الكواكب الأرضية)» التي تتكون أساسًا من الصخور. وكلما كانت المادة أخف، زاد قطرها وكتلتها. ومن ناحية أخرى، عندما ننظر إلى الكواكب خارج نظامنا الشمسي، نجد العديد من الكواكب ذات الأحجام المتوسطة التي يصعب تصنيفها.

「نبتون“هو أحد هذه الكواكب. إذا كان لدى Subneptune خصائص متوسطة بين الأرض ونبتون، ليس فقط من حيث الحجم ولكن أيضًا من حيث التركيب، فيمكن تقدير Subneptune كوكبًا ذو غلاف جوي سميك للغاية يتكون بشكل أساسي من الهيدروجين حول قلب صخري.

ومع ذلك، ليس من الواضح ما إذا كان هذا الافتراض صحيحا. وذلك لأنه لم يتم العثور على كواكب نبتون فرعية في النظام الشمسي، ومن الصعب مراقبة مكونات الغلاف الجوي للكواكب الخارجية التي يعتقد أنها نبتونات فرعية، لذلك من الصعب الحصول على أدلة مباشرة. علاوة على ذلك، حتى لو حاولنا محاكاة عملية تكوين الكوكب، فمن الصعب للغاية تقييم ما إذا كنا قادرين على تصوير تكوين هذه الأنواع من الكواكب بدقة والتي لا تتوفر عنها سوى القليل من البيانات.

[▲الشكل2:رسمبيانييوضحوفرةالكواكبحسبالقطرويمكنملاحظةأنهناكجرفًانصفقطرهيتناقصعددهبسرعةمابينثلاثةإلىأربعةأضعافحجمالأرض(مصدرالصورة:EdwinSKiteetal)

بالإضافة إلى ذلك، هناك لغز آخر وهو أن عدد الكواكب النبتونية الفرعية، التي يزيد قطرها عن ثلاثة أضعاف قطر الأرض، يتناقص بسرعة. إذا قمت برسم رسم بياني لعدد الكواكب الموجودة، فسيكون هناك تغيير مفاجئ مثل الجرف الذي يقسم عدد الكواكب بين الكواكب التي يقل قطرها عن 3 أضعاف قطر الأرض والكواكب التي يزيد قطرها عن 4 أضعاف قطرها. ستظهر الأرض (نفس قطر نبتون). هناك محاولات لتفسير سبب وجود مثل هذا الجرف بناءً على عملية تكوين الكواكب، ولكن بما أن عملية تكوين الكواكب النبتونية الفرعية غير مفهومة جيدًا، فإن اللغز لم يتم حله بعد.

■علاقة “الرنين المداري” مهمة في أبحاث الكواكب

تعتبر بيانات الرصد التفصيلية ضرورية لحل ألغاز كوكب نبتون الفرعي. على وجه الخصوص، من أجل معرفة المزيد عن عملية التكوين في العصور القديمة، يعد كوكب نبتون الفرعي هدفًا مثاليًا للرصد لأنه من المقدر أن بيئته ظلت دون تغيير خلال السنوات الماضية.

مثل هذا النبتون الفرعي له فترة مدارية تبلغ “الرنين المداري“العلاقة (العلاقة الشاملة). الرنين المداري هو حالة تكون فيها فترة الدوران أو الفترة المدارية لجرم سماوي بالنسبة إلى جرم سماوي آخر نسبة صحيحة بسيطة مثل “1:2” أو “3:2”. وتظهر هذه الحالة كحالة مستقرة ديناميكيًا بسبب تفاعل الجاذبية بين الأجرام السماوية، ومن أمثلة الرنين المداري في النظام الشمسي نبتون وبلوتو (3:2)، والقمر الجليلي لكوكب المشتري (4:2). :2:1) إلخ. .

وحتى الآن، لم يتم اكتشاف أي رنين مداري بين الكواكب في النظام الشمسي.(※1)تم اكتشاف العديد من أنظمة الكواكب الخارجية التي يبدو أن لها علاقات رنين مدارية. ومع ذلك، فهو نادر للغاية، حيث يمثل حوالي 1٪ من جميع أنظمة الكواكب المكتشفة.

*1…الفترات المدارية لنبتون وبلوتو لها علاقة رنين مداري بنسبة 3:2، لكن تمت إعادة تصنيف بلوتو ككوكب قزم وفقًا لتعريف الكوكب الذي تم وضعه في عام 2006. كما أن نسبة الفترات المدارية للأرض والزهرة هي 13:8، وهي للوهلة الأولى تبدو وكأنها تشير إلى وجود علاقة رنين مداري، لكن العوامل الميكانيكية الأخرى المتعلقة بالفترة المدارية لا تشير إلى أن العلاقة علاقة رنين مداري. ، ويعتقد أن يكون من قبيل الصدفة.

في الأنظمة الكوكبية التي يحدث فيها مثل هذا الرنين المداري، تصبح المدارات التي تنحرف عن الرنين المداري غير مستقرة ميكانيكيًا، لذلك لا يمكن وجود كواكب بهذه المدارات. على وجه الخصوص، في الأنظمة الكوكبية حيث يوجد العديد من الكواكب التي لها علاقة رنين مداري، هناك قيود على أن الكواكب لا يمكن أن تتشكل إلا في المدارات التي لها علاقة رنين مداري، وحتى في التطور اللاحق للنظام الكوكبي، فإن سوف تتغير المدارات، ويمكنك الافتراض أنه لم يتغير شيء. لهذا السبب، يُعتقد أن العثور على كوكب تحت نبتون له علاقة رنين مدارية هو دليل مهم لحل عملية تكوينه.

■هل للكواكب الموجودة في “HD 110067” علاقة رنين مدارية؟

فريق بحث دولي بقيادة لوكي بقيادة تلسكوب فضائي ناسا (الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء).تيس(القمر الصناعي العابر لاستكشاف الكواكب الخارجية)، نجم التسلسل الرئيسي من النوع K يقع على بعد حوالي 105 سنة ضوئية في اتجاه الغيبوبةاتش دي 110067“، أجرينا بحثًا وملاحظات إضافية. يرصد TESS الظاهرة التي يتناقص فيها سطوع النجم قليلًا عندما يمر كوكب أمام النجم. وتتوافق درجة التعتيم مع قطر الكوكب، وإذا لوحظ انخفاض مماثل في السطوع عدة مرات، فإنه يتوافق مع الفترة المدارية للكوكب.

تمت ملاحظة HD 110067 بواسطة TESS لمدة 27 يومًا تقريبًا في عامي 2020 و2022، ويشير تحليل بيانات المراقبة قبل هذا البحث إلى أن لديه فترة مدارية تبلغ حوالي 9.11 يومًا.HD 110067 ب“وحوالي 13.67 يومًا”HD 110067 ج‘ تم العثور على. من ناحية أخرى، على الرغم من ملاحظة أيضًا تعتيم النجوم التي يُعتقد أنها ناجمة عن كواكب أخرى، إلا أنه لم تكن هناك معلومات كافية لتحديدها على أنها كواكب.

أولاً، من بين حالات الخفوت المتعددة، هناك نوعان من بيانات رصد الأزواج التي تمت ملاحظتها مرة واحدة في فترة المراقبة عامي 2020 و2022، وتكون درجة الخفوت متشابهة. ومع ذلك، هناك فجوة تبلغ حوالي عامين بين بيانات الرصد هذه، وبالتالي فإن الفترة المدارية الدقيقة غير معروفة. خلال هذه الفترة الفارغة، التلسكوبات الفضائية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) وSSO (وكالة الفضاء السويسرية)خوفوومن خلال تحليل بيانات رصد “، وجدنا أن أحد أنواع بيانات رصد الزوج له فترة مدارية تبلغ حوالي 20.52 يومًا.HD 110067 د” تم تحديدها.

وتبلغ نسبة الفترات المدارية لهذه الكواكب الثلاثة إلى بعضها البعض 3:2، ومن المقدر أن لديهم علاقة رنين مدارية. تشير حقيقة وجود الكواكب الثلاثة في حالة رنين مداري إلى أن الكواكب الأخرى قد تكون أيضًا في حالة رنين مداري. تكشف بيانات المراقبة الخاصة بـ HD 110067 أيضًا عن الخفوت الذي قد يحدث بسبب الكواكب الأخرى، لذا فإن مثل هذا الاحتمال ممكن تمامًا.

■ تم اكتشاف كواكب جديدة، وتبين أن جميع الكواكب الستة لها علاقة رنين مداري!

حدد فريق البحث أولاً كوكبًا له فترة مدارية تبلغ حوالي 30.79 يومًا، وتبلغ نسبة الفترة المدارية 3:2 مع HD 110067 d، بناءً على علاقة الرنين المداري. وهناك نوع آخر من بيانات الرصد المقترنة في بيانات الرصد لعامي 2020 و2022 بواسطة TESS، لذلك أجرينا التحليل على افتراض أن هذا هو الكوكب. تشير بيانات الرصد هذه إلى أن الكوكب لديه فترة مدارية تبلغ حوالي 30.79 يومًا، حيث أنه يستوفي عدة شروط ميكانيكية.HD 110067 ه” تم تحديدها.

من ناحية أخرى، لا تزال هناك بعض بيانات الرصد من TESS التي لا تنطبق على أي من هذه الكواكب الأربعة. تشير بيانات الرصد هذه إلى أن كوكبين آخرين ربما يكونان في حالة سبات غير مكتشفين، لكن كل كوكب مرشح تم رصده مرة واحدة فقط في عام 2022، لذا فإن هذا وحده لا يكفي لتحديد الفترة المدارية، وهذا مستحيل. ولذلك، قام فريق البحث بتضييقها من 50 قيمة محتملة للفترة المدارية، وقدر أن نسبة الفترات المدارية للكواكب المجاورة تبلغ حوالي 41.06 يومًا وحوالي 54.77 يومًا على التوالي.

[▲الشكل 3: رسم بياني لتغيرات السطوع لـ HD 110067، يُظهر وجود HD 110067 f. والمنطقة المقعرة هي الفترة الزمنية التي مر فيها الكوكب أمام النجم. في الفترة من 23 إلى 24 مايو 2022، أجرت كل من MuSCTAT2 وMuSCTAT3 وLCO NGTS وTierras وSAINT-EX عمليات رصد وحصلت على بيانات مستمرة من خلال دمجها (مصدر الصورة: R. Luque, et al. (Modified by University of Tokyo, etc. )]

Then, in order to prove that the observational data is due to a planet, we will examine one of the two candidate planets, a planet with an orbital period of about 41.06 days, from May 23 to 24, 2022, around the world. Observations were made. The note isMuscat team (※2) Two observing instruments (MuSCAT2 and MuSCAT3), LCO (Las Campanas Observatory), NGTS (Next Generation Transit Survey), Tierras, and SAINT-EX collaborated to conduct simultaneous observations. As a result of combining these observational data, the transit of the planet was observed, and ‘HD 110067 F“It was successfully identified.

*2…The Muscat team consists of the 188cm Telescope (MuSCAT1) in Okayama Prefecture, Japan, the 1.52m Telescope (MuSCAT2) in Tenerife, Spain, the 2m Telescope (MuSCAT3) in Maui, USA, and the 2m Telescope in Maui, USA. . New South Wales, Australia (MuSCAT4) This is the team conducting research using the “MuSCAT Series” monitoring equipment installed at each site.

[▲الشكل4:رسمبيانيلتغيراتالسطوعلـHD110067يمثلبياناتالمراقبةمنTESSفيعامي2020(أ&ب)و2022(ج&د)،وCHEOPS(e&f)،علىالتوالييمثلالجزءالأحمرفيبياناترصدTESSلعام2020الفترةالتيكانتفيهاالبياناتصاخبةبسببالضوءالمتناثرمنالقمروالأرض(مصدرالصورة:RLuqueetal)

وتم التعرف على آخر بيانات المراقبة المتبقية، وهو كوكب مرشح بفترة مدارية تبلغ حوالي 54.77 يومًا، من خلال تحليل بيانات مراقبة TESS لعام 2020. هناك فترة في بيانات الرصد لعام 2020 تحتوي على الكثير من الضوضاء بسبب الضوء المتناثر من القمر والأرض. البيانات من هذه الفترات تحجب شدة ضوء النجم، لذلك عادة لا يتم تحليلها. وقام فريق البحث بتحليل بيانات الرصد الصاخبة هذه لمعرفة ما إذا كانت هناك أي بيانات عن التعتيم تتطابق مع الفترة المدارية المتوقعة والتي تبلغ حوالي 54.77 يومًا. ونتيجة لذلك، تم العثور على بيانات توضح الخفوت المتوقع، والكوكب السادس، “اتش دي 110067 جم“تم التعرف عليه أيضًا بنجاح. لقد وجدنا أيضًا بيانات عن التعتيم تتوافق مع HD 110067 f المذكور أعلاه.

[▲الشكل 5: رسم تخطيطي يوضح أن مدارات كل كوكب في HD 110067 يتم التعبير عنها بنسب صحيحة بسيطة. يوجد على اليسار رسم توضيحي لكوكب CHEOPS، الذي أجرى عملية المراقبة (Credit: ESA)]

The research team reached these resultsProve that HD 110067 has 6 planets and that they are all connected by an orbital resonance relationshipan act. The six planets have a 6:1 relationship between the inner and outer planets, and an orbital resonance relationship of 54:36:24:16:12:9 on the inner side.

■HD 110067 is a “fossil” in planetary science

[▲الشكل 6: بيانات عن القطر والكتلة والفترة المدارية لكل كوكب في HD 110067 تم الكشف عنها في هذا البحث (مصدر الصورة: Riri Aya)]

Examples of planetary systems in which three or more planets are in orbital resonance include TOI-178 and TRAPPIST-1. However, these planetary systems are not ideal for research. TOI-178 has at least one planet outside its orbital resonance, suggesting that gravitational interactions may have forced it to change its orbit. There is also research showing that the TRAPPIST-1 system has no true orbital resonance relationship, but appears to be in orbital resonance only by chance.

In contrast, the six planets in HD 110067 have true orbital resonances;The planet’s orbit has not changed since the planetary system was formed about 8.1 billion years ago.It is believed that. In other words, HD 110067’s current orbit matches the orbit at the time of its birth, creating major limitations when simulating the planet’s formation.

Each of the six planets in HD 110067 has been measured to have a diameter between 1,940 and 2,852 times the mass of Earth. (※3) . Based on these numbers, both planets are thought to have quasi-Neptunian characteristics and may have hydrogen-rich atmospheres. In addition, HD 110067 is close to Earth, making it the brightest star with five or more planets passing in front of it. This is also important because being able to analyze light from a star passing through a planet’s atmosphere will help us understand physical properties, such as the composition of the planet’s atmosphere.

*3…For three of the blocks, only upper bound values ​​are known. See Figure 6 for details.

Maximilian N. expressed. Gunther, a member of the research team, spoke about the importance of this discovery, saying:They are like fossils to study the formation and evolution of planetary systems.“As this statement indicates, the discovery of the planetary system HD 110067 is expected to become more significant with future observations.

■ Note: Definition of subneptune

In addition to “Sub-Neptune,” there are planets thought to have a diameter and mass that lie between Earth, a rocky planet, and Neptune, an ice giant. · The terms “Mini-Neptune” and “Super Earth” are used. These terms do not have strict definitions with respect to diameter or mass, and definitions may vary depending on the literature. Also, although there is almost no difference between sub-Neptune and minor Neptune, they are not unified terms either. The subneptune expression in this article is consistent with the original paper.

This is just a rough guide, but since the term super-Earth is closer to Earth, and quasi-Neptune and micro-Neptune are terms closer to Neptune, super-Earth tends to be used for planets smaller than quasi-Neptune and micro-Neptune. Neptune. There. Additionally, a 2011 paper summarizing the results of preliminary observations by the Kepler Space Telescope determined the size of a super-Earth to be 1.25 to 2 times the radius of Earth, and the size of Neptune to be 2 to 6 times the radius of Earth. Documents that Earth is separated from the planet sub-Neptune or mini-Neptune by twice the radius of Earth.

source

Written by Riri Aya