系外行星观察者吉普斯揭示了具有节律性轨道共振的独特行星系统

这是艺术家对TOI-178行星系统的印象，这是由ESA系外行星观测者Cheops揭示的。该系统由六个系外行星组成，其中五个系绕着中心恒星运行时被锁定在一种罕见的有节奏的舞蹈中。在这种艺术家印象中，行星的相对大小是成比例的，而不是恒星的距离和大小。

ESA的系外行星飞行任务Cheops揭示了一个独特的行星系统，该系统由6个系外行星组成，其中5个系绕着中心恒星运行时被锁定在罕见的有节奏的舞蹈中。但是，行星的大小和质量并不遵循这种有序的模式。这一发现对当前的行星形成理论提出了挑战。

与我们自己的太阳系不同的是，越来越多的行星系统的发现继续增进了我们对行星如何形成和演化的理解。一个明显的例子是名为TOI-178的行星系统，它位于雕刻家星座中约200光年远。

天文学家已经用NASA的过境系外行星观测卫星（TESS）观测到了这颗恒星，将拥有两颗或以上的系外行星。2019年发射的ESA表征系外行星卫星Cheops进行了新的高精度观测，现在表明TOI-178至少容纳了六个行星，而且这个外国太阳系的布局非常独特。由日内瓦大学的Adrien Leleu和瑞士伯尔尼大学领导的研究小组今天在天文学与天体物理学

科学家能够用Cheops揭示的TOI-178系统的特殊特征之一是，除了最靠近恒星的行星以外，行星在轨道中运动时都遵循有节奏的舞蹈。这种现象称为轨道共振，这意味着当行星围绕恒星运转时，某些模式会重复出现，有些行星会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）。对于欧罗巴的每个轨道，Ganymede完成两个轨道，而Io完成四个轨道（这是4：2：1模式）。

在TOI-178系统中，共振运动要复杂得多，因为它涉及五个行星，遵循18：9：6：4：3的模式。来自恒星的第二个行星（模式中的第一个）完成18个轨道，而距恒星的第三个行星（模式中的第二个）完成9个轨道，依此类推。

此图显示了TOI-178行星系统的图像，这是由ESA系外行星观察者Cheops揭示的。在此图形中，行星的相对大小是按比例的，而不是恒星的距离和大小。

最初，科学家仅发现了四个行星处于共振状态，但按照模式，科学家计算出系统中必须存在另一个行星（模式之后的第四个行星，即恒星中的第五个行星）。

“我们通过假设它与其他行星共振来非常精确地预测了它的轨迹，” Adrien解释说。Cheops的另一项观测结果证实，失踪的行星确实存在于预测的轨道中。

在发现了罕见的轨道排列之后，科学家们好奇地想知道行星的密度（大小和质量）是否也遵循有序的模式。为了对此进行调查，Adrien和他的团队将来自Cheops的数据与在智利的欧洲南部天文台（ESO）副天文台的地面望远镜进行的观测相结合。

但是，尽管TOI-178系统中的行星以非常有序的方式绕恒星运行，但它们的密度却没有遵循任何特定的模式。系外行星之一，是一个像地球一样稠密的地球行星，紧挨着一颗大小相似但又非常蓬松­­的行星-像微型木星，旁边是一个与海王星非常相似的行星。

“这不是我们所期望的，这是我们第一次在行星系统中观察到这样的设置，” Adrien说。“在少数几个系统中，我们知道行星以这种共振的节奏运转，随着我们远离恒星，行星的密度逐渐降低，这也是我们从理论上得到的期望。”

诸如巨大撞击之类的灾难性事件通常可以解释行星密度的巨大变化，但如果真是这样的话，TOI-178系统就不会如此整齐地和谐。

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。”

由于对Cheops进行了近12天的观测（连续11天的观测，再加上两次较短的观测），揭示TOI-178系统的复杂体系结构挑战了当前的行星形成理论成为可能。

ESA Cheops项目科学家凯特·伊萨克（Kate Isaak）表示：“解决这个令人兴奋的难题需要花很多精力进行计划，尤其是安排11天连续观察所需的时间，以捕捉不同行星的信号。”“这项研究很好地凸显了Cheops的后续潜力–不仅可以更好地表征已知行星，而且还可以寻找并确认新行星。”

Adrien和他的团队希望继续使用Cheops来更详细地研究TOI系统。

“我们可能会发现更多可能位于宜居区域的行星-在行星表面上可能存在液态水-从我们迄今发现的行星的轨道之外开始，”阿德里安说。“我们还想找出最里面的行星发生了什么，而这与其他行星没有共鸣。我们怀疑它是由于潮汐力而爆发了共振。”

天文学家将使用Cheops观测数百颗已知的系外行星，它们围绕着明亮的恒星运行。

凯特补充说：“小行星不仅将加深我们对系外行星形成的理解，还将加深对我们自己星球和太阳系的理解。”

有关此独特的行星系统的更多信息，请阅读“共振节奏运动所发现的令人困惑的六系外行星系统”。

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

Cheops是与瑞士合作开发的ESA任务，由伯尔尼大学牵头的一个专门财团得到了奥地利，比利时，法国，德国，匈牙利，意大利，葡萄牙，西班牙，瑞典和英国的重要贡献。

ESA是Cheops的任务架构师，负责卫星的采购和测试，发射和早期运行阶段以及在轨调试，以及“来宾观察员计划”，全球科学家都可以通过该计划申请与Cheops进行观测。由瑞士领导的11个欧空局成员国组成的财团提供了特派团的基本要素。该航天器设计和建造的主要承包商是西班牙马德里的空中客车防御与太空公司。

Cheops宣教财团在西班牙马德里附近的Torrejónde Ardoz的INTA设有宣教行动中心，并在瑞士日内瓦大学设有科学运作中心。