Published January 1, 2023 | Version v1
Publication

A Six-Planet Resonance Chain in K2-138?

  • 1. Instituto de Astronomía Teórica y Experimental

Description

The K2-138 system hosts six planets and presents an interesting case study due to its distinctive dynamical structure. Its five inner planets are near a chain of 3/2 two-body mean-motion resonances, while the outermost body (planet {\it g}) is significantly detached, having a mean-motion ratio of $n_f/n_g \sim 3.3$ with its closest neighbor. We show that the orbit of $m_g$ is actually consistent with the first-order three-planet resonance (3P-MMR) characterized by the relation $2n_e - 4n_f + 3n_g = 0$ and is the first time a pure first-order 3P-MMR is found in a multi-planet system and tied to its current dynamical structure. Adequate values for the masses allow to trace the dynamical history of the system from an initial capture in a 6-planet chain (with $n_f/n_g$ in a 3/1 resonance), up to its current configuration due to tidal interactions over the age of the star. The increase in resonance offset with semi-major axis, as well as its large value for $n_f/n_g$ can be explained by the slopes of the pure three-planet resonances in the mean-motion ratio plane. The triplets slide outward over these curves when the innermost pair is pulled apart by tidal effects, in a \textit{pantograph-}like manner. The capture into the 3P-MMR is found to be surprisingly robust given similar masses for $m_g$ and $m_f$, and it is possible that the same effect may also be found in other compact planetary systems.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يستضيف نظام K2 -138 ستة كواكب ويقدم دراسة حالة مثيرة للاهتمام بسبب هيكله الديناميكي المميز. تقع كواكبها الداخلية الخمسة بالقرب من سلسلة من 3/2 من رنين متوسط الحركة ثنائي الجسم، في حين أن الجسم الخارجي (الكوكب {\it g}) منفصل بشكل كبير، حيث تبلغ نسبة متوسط الحركة $n_f/n_g_sim 3.3 $ مع أقرب جار له. نظهر أن مدار $m_g$ يتوافق في الواقع مع الرنين ثلاثي الكواكب من الدرجة الأولى (3P - MMR) الذي يتميز بالعلاقة $ 2n_e - 4n_f + 3n_g = 0 $ وهي المرة الأولى التي يتم فيها العثور على 3P - MMR نقي من الدرجة الأولى في نظام متعدد الكواكب ومرتبط بهيكله الديناميكي الحالي. تسمح القيم الكافية للجماهير بتتبع التاريخ الديناميكي للنظام من التقاط أولي في سلسلة مكونة من 6 كواكب (مع $n_f/n_g$ في رنين 3/1)، حتى تكوينه الحالي بسبب تفاعلات المد والجزر فوق عمر النجم. يمكن تفسير الزيادة في الرنين الذي يقابله محور شبه رئيسي، بالإضافة إلى قيمته الكبيرة $n_f/n_g$ من خلال منحدرات الرنين ثلاثي الكواكب النقي في مستوى نسبة الحركة المتوسطة. ينزلق التوائم الثلاثة للخارج فوق هذه المنحنيات عندما يتم فصل الزوج الأعمق عن طريق تأثيرات المد والجزر، بطريقة تشبه {pantograph -}. وجد أن الالتقاط في 3P - MMR قوي بشكل مدهش نظرًا للكتل المماثلة لـ $m_g$ و $m_f$، ومن المحتمل أن يكون نفس التأثير موجودًا أيضًا في الأنظمة الكوكبية المدمجة الأخرى.

Translated Description (French)

Le système K2-138 héberge six planètes et présente une étude de cas intéressante en raison de sa structure dynamique distinctive. Ses cinq planètes intérieures sont proches d'une chaîne de 3/2 résonances de mouvement moyen à deux corps, tandis que le corps le plus extérieur (planète {\it g}) est significativement détaché, ayant un rapport de mouvement moyen de $n_f/n_g \sim 3,3 $ avec son voisin le plus proche. Nous montrons que l'orbite de $m_g$ est en fait cohérente avec la résonance triplanétaire de premier ordre (3P-MMR) caractérisée par la relation $ 2n_e - 4n_f + 3n_g = 0 $ et est la première fois qu'une pure 3P-MMR de premier ordre est trouvée dans un système multi-planétaire et liée à sa structure dynamique actuelle. Des valeurs adéquates pour les masses permettent de retracer l'histoire dynamique du système depuis une capture initiale dans une chaîne de 6 planètes (avec $n_f/n_g$ dans une résonance 3/1), jusqu'à sa configuration actuelle due aux interactions de marée sur l'âge de l'étoile. L'augmentation du décalage de résonance avec le demi-grand axe, ainsi que sa grande valeur pour $n_f/n_g$ peut s'expliquer par les pentes des résonances à trois planètes pures dans le plan du rapport de mouvement moyen. Les triplets glissent vers l'extérieur sur ces courbes lorsque la paire la plus intérieure est séparée par des effets de marée, d'une manière\textit{pantograph-}similaire. La capture dans le 3P-MMR s'avère étonnamment robuste étant donné des masses similaires pour $m_g$ et $m_f$ , et il est possible que le même effet puisse également être trouvé dans d'autres systèmes planétaires compacts.

Translated Description (Spanish)

El sistema K2-138 alberga seis planetas y presenta un interesante estudio de caso debido a su distintiva estructura dinámica. Sus cinco planetas interiores están cerca de una cadena de 3/2 resonancias de movimiento medio de dos cuerpos, mientras que el cuerpo más externo (planeta {\it g}) está significativamente separado, con una relación de movimiento medio de $n_f/n_g \sim 3.3 $ con su vecino más cercano. Mostramos que la órbita de $m_g$ es en realidad consistente con la resonancia de tres planetas de primer orden (3P-MMR) caracterizada por la relación $ 2n_e - 4n_f + 3n_g = 0 $ y es la primera vez que se encuentra un 3P-MMR puro de primer orden en un sistema multiplanetario y vinculado a su estructura dinámica actual. Los valores adecuados para las masas permiten rastrear la historia dinámica del sistema desde una captura inicial en una cadena de 6 planetas (con $n_f/n_g$ en una resonancia de 3/1), hasta su configuración actual debido a las interacciones de las mareas a lo largo de la edad de la estrella. El aumento en la compensación de resonancia con el semieje mayor, así como su gran valor para $n_f/n_g$ puede explicarse por las pendientes de las resonancias puras de tres planetas en el plano de relación de movimiento medio. Los trillizos se deslizan hacia afuera sobre estas curvas cuando el par más interno se separa por los efectos de las mareas, de una manera similar a\textit{pantógrafo-}. Se encuentra que la captura en el 3P-MMR es sorprendentemente robusta dadas masas similares para $m_g$ y $m_f$, y es posible que el mismo efecto también se pueda encontrar en otros sistemas planetarios compactos.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
سلسلة رنين ستة كواكب في K2 -138 ؟
Translated title (French)
Une chaîne de résonance à six planètes dans K2-138 ?
Translated title (Spanish)
¿Una cadena de resonancia de seis planetas en K2-138?

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4386044078
DOI
10.48550/arxiv.2308.09588

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina