Um sistema planetário bem peculiar a 200 anos-luz da Terra tem cinco exoplanetas que, apesar de seus tamanhos e densidades muito diferentes, seguem com suas órbitas travadas em um mesmo padrão. A descoberta desafia o que os astrônomos sabiam sobre sistemas planetários.

Cinco dos seis exoplanetas em órbita em torno da estrela TOI-178 estão em ressonância orbital 18:9:6:4:3 entre si, de acordo com uma nova pesquisa publicada nesta segunda (25) na Astronomy & Astrophysics. Portanto, para cada 18 órbitas feitas pelo mais interno desses cinco exoplanetas, o próximo ao longo da cadeia completará nove órbitas durante o mesmo período. O terceiro completará seis órbitas e assim por diante. O vídeo abaixo oferece uma demonstração do processo em ação.

O mais interno dos seis exoplanetas (mostrado com um caminho orbital azul) não está em ressonância com os outros, embora possa ter estado no passado. Na animação acima, os padrões rítmicos são representados por pulsos vermelhos e um som de sino na escala pentatônica. Eles tocam quando cada um deles completa uma órbita completa ou meia órbita. Como mostra o vídeo, dois ou mais exoplanetas “tocam” com bastante frequência. Isso ocorre por eles estarem em ressonância orbital. O novo estudo foi liderado por Adrien Leleu, afiliado CHEOPS da Universidade de Genebra.

Leleu é um dinamicista, como são chamados os especialistas em mecânica celeste. Quando ele e seus colegas observaram o sistema TOI-178 pela primeira vez,  pensaram ter visto dois planetas orbitando ao redor da estrela hospedeira na mesma órbita, mas este resultado foi inconclusivo. Os cientistas decidiram fazer observações de acompanhamento usando o satélite CHEOPS, da Agência Espacial Europeia, e o instrumento terrestre Espresso, no Very Large Telescope do Observatório Europeu do Sul, além do Next Generation Transit Survey e dos projetos SPECULOOS, ambos no Chile. Todos esses instrumentos permitiram que a equipe detectasse os seis exoplanetas e caracterizasse suas órbitas. Eles conseguiram isso usando o método de trânsito, observando o escurecimento da estrela hospedeira quando um planeta passa na frente e medindo a oscilação da estrela hospedeira.

Todos os seis exoplanetas estão próximos da estrela central — o mais próximo leva cerca de dois dias para concluir uma órbita completa, e o mais distante, cerca de 20 dias. Nenhum está dentro da zona habitável, a região em torno de uma estrela onde a água líquida (e portanto a vida) seria possível. Cinco dos seis exoplanetas estão travados em ressonância perfeita, de modo que alguns planetas se alinham a cada poucas órbitas. A corrente 18:9:6:4:3 está entre as mais longas já descobertas.

A ressonância orbital ocorre quando os corpos em órbita exercem uma influência gravitacional periódica uns sobre os outros. Em nosso sistema solar, as luas Io, Europa e Ganimedes, todas de Júpiter, estão em uma ressonância 4:2:1.

O TOI-178 é interessante por uma série de razões. Sua ressonância orbital é um sinal de estabilidade prolongada.

“Pelo que entendemos das formações planetárias, a cadeia de ressonâncias costuma ocorrer nas primeiras fases da formação do sistema planetário, quando a estrela ainda está rodeada por um disco gasoso”, explicou Leleu por e-mail. “No entanto, durante os bilhões de anos que se seguem à formação, muitas coisas podem acontecer e a maioria dos sistemas sai das ressonâncias. Pode acontecer lentamente, devido aos efeitos das marés [gravitacionais], por exemplo, ou violentamente, devido à instabilidade e colisão/ejeção de um planeta.”

Apenas cinco outros sistemas estelares têm cadeias ressonantes envolvendo quatro ou mais planetas, “o que não é muito”, acrescentou o pesquisador. Os astrônomos consideram esses sistemas planetários raros e bastante jovens.

“Não apenas esta configuração orbital é exclusiva do TOI-178, mas também a composição dos planetas”, disse Leleu. Isso desafia o nosso entendimento atual sobre a formação e evolução dos planetas.

Na verdade, os planetas têm entre uma e três vezes o tamanho da Terra, mas têm massas que variam de 1,5 a 30 vezes a nossa. Portanto, embora suas configurações orbitais sejam organizadas, suas composições não são. Por exemplo, um planeta é uma super-Terra, mas seu vizinho imediato é um gigante de gelo de baixa densidade semelhante a Netuno. Não vemos esse tipo de coisa por aqui.

De acordo com Leleu, a teoria sugere que os planetas deveriam ter densidade menor quanto mais distantes estiverem de sua estrela. Mas não é o caso aqui. “No TOI-178, isso só vale para os dois planetas internos que são rochosos, mas o terceiro planeta da estrela tem uma densidade muito baixa, então os planetas 4 e 5 são mais densos e o planeta 6 é mais fofo”, ele disse.

Os astrônomos agora terão que descobrir como o sistema se formou. Eles também vão tentar saber se alguns dos planetas se formaram mais para fora e lentamente derivaram para dentro.

Curiosamente, TOI-178 poderia hospedar outros planetas mais distantes, mas eles simplesmente não foram detectados. Olhando para o futuro, o Extremely Large Telescope do ESO, que deve entrar em operação no final desta década, pode ser capaz de revelar mais sobre este estranho sistema estelar.