Jak się szuka egzoplanet?

Egzoplanety są wszędzie – jak je znaleźć?

Szacuje się, że we Wszechświecie jest ok. 300 tryliardów gwiazd – nawet jeżeli co dziesiąta ma co najmniej jedną planetę, oznacza to, że istnieje całkiem duża szansa na znalezienie światów podobnych do Ziemi. Ale jak je wykryć? Jak się szuka nowych planet?

Dane na 20 czerwca 2021 r. są dość skromne. Potwierdzono istnienie 4422 egzoplanet i 3280 układów planetarnych (innych od Układu Słonecznego), podczas gdy 6761 obiektów to kandydaci na planety. To niewiele, patrząc na potencjalną liczbę gwiazd we Wszechświecie. To jednak wystarczająco wiele, by poszukiwać „drugiej Ziemi”. Mimo że media co chwilę donoszą o znalezieniu kolejnej, wciąż nie znamy planety lepszej do życia niż nasza własna. Jak ją znaleźć? Nie wystarczy spojrzeć w teleskop, trzeba zastosować szereg astronomicznych sztuczek.

Istnieje pięć podstawowych metod detekcji egzoplanet: metoda tranzytu (75,6% wszystkich wykrytych światów), metoda prędkości radialnej (19,5%), mikrosoczewkowanie grawitacyjne (2,4%) i bezpośrednia obserwacja (1,2%). 1496 planet to obiekty podobne do Neptuna, 1400 egzoplanet to gazowe olbrzymy, a 1356 planet to tzw. superziemie. Czy wśród nich jest gdzieś nasz „drugi dom”?

Planety inne niż nasza

Pierwszą egzoplanetę (Gamma Cephei b) odkryli w 1988 r. kanadyjscy astronomowie, ale ich osiągnięcie zostało potwierdzone dopiero w 2002 r. Z tego powodu za odkrywcę pierwszych egzoplanet uważa się polskiego radioastronoma Aleksandra Wolszczana, który w 1992 r. opublikował pracę potwierdzającą obecność trzech planet okrążających pulsar PSR 1257+12.

Prawdziwy przełom nastąpił w 1995 r., kiedy to uczeni z Uniwersytetu Genewskiego – Michel Mayor i Didier Queloz – stwierdzili, że gwiazdę 51 Pegasi okrąża planeta. Planeta Dimidium (51 Pegasi b) to glob wielkości Jowisza, okrążający gwiazdę macierzystą o odległość zaledwie 0,05 a.u., czyli 20 razy mniej niż dystans Ziemi od Słońca.

Statystyki bazujące na danych Kosmicznego Teleskopu Keplera wykazały, że w naszej galaktyce jest więcej planet niż gwiazd. To by oznaczało, że w Drodze Mleczne jest ponad bilion planet, a wiele z nich wielkości Ziemi.

Wiemy, że małe planety są bardzo powszechne. To jest fenomenalne. Nie mogliśmy tego wiedzieć przed Keplerem. Powiem kolokwialnie: one są wszędzie.

prof. Sara Seager z Massachusetts Institute of Technology, pionierka badań nad egzoplanetami

Wypatrywanie cieni

Zaćmienie Słońca, które mieliśmy okazję niedawno oglądać, jest jednym z najbardziej spektakularnych zjawisk astronomicznych. Dochodzi do niego, gdy Księżyc przechodzi bezpośrednio przed tarczą Słońca, blokując jego światło. Mniej więcej właśnie na tym właśnie polega metoda tranzytu.

Egzoplanetę wykrywa się, kiedy przechodzi ona między obserwatorem (np. na Ziemi) a gwiazdą macierzystą, wokół której krąży. Planeta blokuje część światła gwiazdy, przez co przez krótki czas wydaje się ona ciemniejsza. Zmiana jasności jest niewielka, aczkolwiek wystarczająca do wykrycia obiektu.

Długość tranzytu może nam wiele powiedzieć o planecie, która go wywołuje. Jak to możliwe? Kluczowa jest obserwacja tzw. krzywej światła, czyli wykresu poziomu promieniowania emitowanego przez daną gwiazdę. Kiedy dochodzi do tranzytu, krzywa światła wskazuje na spadek jasności. To nie wszystko – im dalej od gwiazdy znajduje się egzoplaneta, tym dłużej trwa zjawisko tranzytu.

Metoda tranzytu może dostarczyć naukowcom także cennych informacji na temat składu atmosfery planety, a nawet temperatury na niej panującej. Jak to możliwe? Podczas tranzytu, część światła gwiazdy przechodzi przez atmosferę planety. Analizując widmo tego światła można uzyskać wielu szczegółów na temat atmosfery egzoplanety. Wiadomo, że im układ planetarny jest bliżej od nas, tym dokładniem można go badać. W ten sposób można znaleźć przeróżne substancje w atmosferach obcych planet – metan, siarkowodór, a nawet parę wodną.

Dzięki technice tranzytu odkryto 3343 planety pozasłoneczne.

Gdy gwiazda chybocze

Interakcje zachodzące między planetą a gwiazdą można opisać jako osobliwy wariant przeciągania liny. Starcie to zawsze wygrywa gwiazda, gdyż jest masywniejsza i generuje potężniejsze pole grawitacyjne. Nie oznacza to jednak, że planeta w żaden sposób nie oddziałuje na gwiazdę. Mimo iż jest to wpływ znikomy, to każda gwiazda odczuwa pole grawitacyjne krążących wokół niej planet. Objawia się to subtelnym drganiem, czymś na kształt chybotania gwiazdy.

Im masywniejsza planeta (planety), tym efekt wyraźniejszy. Planety wielkości Ziemi nie powodują znacznych odchyleń w ruchu gwiazdy, ale gazowe olbrzymy (jak Jowisz czy Saturn) mają silniejszy wpływ. Te fluktuacje można wykryć, a tym samym stwierdzić, czy wokół danej gwiazdy krążą masywne planety. Jest to tzw. metoda prędkości radialnej.

Warto podkreślić, że astronomowie nie są w stanie dosłownie wychwycić drgań gwiazdy. Stosują metodę zwaną przesunięciem dopplerowskim, która liczy już blisko 150 lat. Na czym polega?

Efekt Dopplera występuje, gdy dźwięk ambulansu jadącego na sygnale staje się wyższy w momencie zbliżania się go do nas, a niższy, gdy karetka się oddala. To dlatego, że wszelkie fale (radiowe czy elektromagnetyczne) mogą być deformowane (rozciągane i ściskane), w zależności od ruchu obiektu, który je wytwarza. Kiedy obiekt emitujący fale (ambulans czy gwiazda) zbliża się do nas, fale są ściskane i powodują zwiększenie amplitudy, a tym samym natężenia. Kiedy obiekt się oddala, fale się rozciągają. Zmiany te można wykryć – kiedy fale światła widzialnego ściskają się, mają bardziej niebieski kolor, a kiedy rozciągają się, wyglądają na czerwone. Zjawisko to nosi nazwę przesunięcia ku czerwieni (ang. redshift) i może być wykorzystane przez astronomów do stwierdzenia, czy dany obiekt we Wszechświecie zbliża się, czy też może oddala od nas.

Metoda prędkości radialnej była jedną z pierwszych skutecznych technik poszukiwania egzoplanet i stosuje się ją do dziś. Często wykorzystuje się ją do potwierdzenia istnienia planety namierzonej za pomocą innej metody (np. tranzytu). Stosują ją naukowcy z Obserwatoria na Mauna Kea na Hawajach i Obserwatorium La Silla w Chile.

Metoda pomiaru prędkości radialnej doprowadziła do wykrycia 864 egzoplanet.

Grawitacja jak soczewka

Jednym z ciekawszych spostrzeżeń Alberta Einsteina jest rozważenie koncepcji grawitacji nie jako tajemniczego przyciągania między obiektami, a jednej z właściwości czasoprzestrzeni. Masywne obiekty (jak gwiazdy) mogą zniekształcać bieg światła – skupiać je lub rozpraszać. Czasami grawitacja może działać jak soczewka powiększająca w okularze. Mówimy wtedy o tzw. soczewkowaniu grawitacyjnym.

Szczególnym przykładem jest mikrosoczewkowanie grawitacyjne, gdy grawitacja gwiazdy/planety skupia światło innego obiektu w taki sposób, że chwilowo wydaje się on jaśniejszy. To swoiste wzmocnienie może pomóc wykryć planetę, której w normalnych warunkach byśmy nie znaleźli.

Ciała niebieskie powodujące taki efekt nazywa się soczewkami grawitacyjnymi. Pierwszą z takich soczewek odkryto dopiero w 1979 r. i był to podwójny kwazar Q0957+561. Soczewkami grawitacyjnymi mogą być także galaktyki i gromady galaktyk. Czasami szybkie zjawiska mikrosoczewkowania mogą powodować tzw. samotne planety, czyli obiekty, które nie krążą wokół żadnej znanej nam gwiazdy.

Za pomocą mikrosoczewkowania grawitacyjnego odkryto do tej pory 108 planet.

Pozowanie

Wszystkie znane nam egzoplanety są bardzo daleko i jeszcze przez długi czas nie uda nam się wysłać sondy kosmicznej, by mogła zrobić ich bezpośrednie zdjęcie, jak planetom z Układu Słonecznego. Okazuje się jednak, że bezpośrednia detekcja planet jest możliwa, choć bardzo trudna.

Bezpośrednia detekcja egzoplanet jest tak skomplikowana z powodu gwiazd macierzystych, które okrążają. Są one bowiem miliony razy jaśniejsze od innych obiektów, a jakiekolwiek światło odbite od planety jest zagłuszane przez prawdziwą lawinę promieniowania generowaną przez gwiazdę macierzystą. To tak, jak próba namierzenia komara w lampie – z daleka jest to niemożliwe, ale im bliżej źródła światła, tym łatwiej tego dokonać.

Brązowy karzeł 2M1207 i planeta towarzysząca /Fot. ESA

Każdego dnia korzystamy z okularów przeciwsłonecznych, które blokują część promieniowania słonecznego, dzięki czemu można dostrzec różne obiekty. W ten sam sposób działają instrumenty służące do bezpośredniej detekcji planet – blokują one światło gwiazdy macierzystej, dzięki czemu można wykryć potencjalną egzoplanetę. Naukowcy odkrywają w ten sposób wiele kandydatów na planety, ale w toku dalszych pomiarów, większość z nich okazuje się tylko „szumem”.

Istnieją dwie główne metody wykorzystywane do blokowania światła gwiazdy. Pierwsza z nich to koronografia. Wewnątrz teleskopu znajduje się urządzenie (koronograf), które blokuje światło gwiazdy, zanim dotrze ono do detektora. Druga metoda zakłada zablokowanie światła gwiazdy, zanim jeszcze dotrze ono do teleskopu. Urządzeniem zdolnym do tego ma być tzw. starshade, czyli koronograf w kształcie słonecznika (parasola) umieszczony w przestrzeni kosmicznej w ramach misji New Worlds. Naukowcy uważają, że po zamontowaniu go na orbicie, mógłby pomóc znaleźć 75 różnych systemów planetarnych. Niestety, misja jest wciąż na etapie projektowania, brakuje funduszy na jej realizację.

Bezpośrednie obrazowanie wciąż znajduje się w początkowej fazie rozwoju, ale za pomocą techniki tej znajduje się już planety – do tej pory udało się to z 53 obiektami.

Rusza się czy nie rusza?

Jedną z najrzadziej wykorzystywanych metod do detekcji planet pozasłonecznych jest astrometria. Mianem tym określa się dział astronomii zajmujący się pomiarami pozornych położeń ciał niebieskich.

Przesunięcie ku czerwieni (i wywołujący je efekt Dopplera) nie jest jedynym sposobem, w jaki astronomowie mogą wykryć drgania gwiazd wywołanych grawitacją krążących wokół nich planet. Można to objawiać się także poprzez pozorną zmianę pozycji gwiazdy na niebie. Jest to jednak bardzo trudne do detekcji, gdyż owe przesunięcia są zazwyczaj tak niewielkie, że trudno je wykryć z Ziemi.

Aby śledzić ruch gwiazdy, astronomowie wykonują serię zdjęć danego wycinku nieba. Porównują odległości między interesującą ich gwiazdą a wybraną gwiazdą referencyjną, a w przypadku zauważalnych różnic, mogą założyć występowanie planety, która ową fluktuację wywołała. Metodą tą jednak nie wykryjemy drugiej Ziemi, bo planety te są zbyt małe, by wywołać możliwy do zmierzenia efekt.

Astrometria wymaga niezwykle precyzyjnej optyki i jest bardzo trudna do wykonania z powierzchni Ziemi, ponieważ nasza atmosfera zniekształca światło docierające z kosmosu. Obecnie do astrometrii wykorzystuje się specjalne instrumenty kosmiczne, m.in. satelitę Hipparcos.

Za pomocą astrometrii do tej pory odkryto tylko jedną egzoplanetę.

Czy kiedyś odwiedzimy inny układ planetarny?

Wykrywanie egzoplanet, a ich odwiedzanie to dwie różne sprawy. Naukowcy nie wykluczają, że kiedyś uda się zorganizować misję do innego układu planetarnego, ale na ten moment jest to technicznie niemożliwe. Dlaczego? Najbliższym Ziemi układem gwiezdnym jest Alfa Centauri, oddalony od nas o ok. 4,37 roku świetlnego. Układ ma dwa komponenty: Alfa Centauri A i Alfa Centauri B, do których często dołącza się także trzecią, odległą gwiazdę – Proximę Centauri. W układzie Alfa Centauri jest przynajmniej jedna planeta.

Zakładając, że podróżowalibyśmy z prędkością 13 000 km/s (ok. 4,5% prędkości światła), dotarlibyśmy na orbitę Alfa Centauri B w ciągu 100 lat. Mimo iż nie jest to czas trudny do wyobrażenia, to już samo zaplanowanie takiej misji byłoby niezwykle trudne, gdyż trwałaby ona dłużej niż jedną generację człowieka. My zaplanowalibyśmy misję do Alfa Centauri, ale to nasze dzieci odebrałyby dane z układu planetarnego. Nie jest to niemożliwe, choć trudne do wyobrażenia. Astronomowie wierzą, że w przyszłości zostaną opracowane nowe rodzaje napędu, które pozwolą podróż choć małej sondy do sąsiedniego układu.

Jest jednak pomysł, by do Alfa Centauri wysłać flotę lekkich żagli międzygwiazdowych o nazwie Starchip rozpędzonych nawet do 20% prędkości światła. Projekt nazwany Breakthrough Starshot ma solidne podstawy naukowe i zaangażowało się w niego wielu uczonych z całego świata, ale wciąż jest w fazie planowania. Sam Freeman Dyson, zmarły w ubiegłym roku astrofizyk i matematyk, który zaproponował poszukiwania tzw. sfer Dysona, otwarcie powiedział, że sam pomysł jest „głupi”, ale warto go rozwijać dla przyszłych technologii.

Pomijając Alfa Centauri, wszystkie inne układy planetarne znajdują się poza naszymi możliwościami. Co więcej, nikt na razie nawet nie rozważa wizyty na orbicie planety pozasłonecznej. Układ Słoneczny wciąż skrywa wiele skarbów, które zarówno naukowcy, jak i inwestorzy starają się eksplorować. Priorytetem jest załogowa misja na Marsa, do której powinno dojść jeszcze przed 2030 r., chociaż wiele osób termin ten uznaje za mocno optymistyczny.

Kiedy już dotrzemy na Marsa i (prawdopodobnie dzieci naszych dzieci) zbudujemy tam stałą bazę, co dalej? W kosmosie jest tyle światów, które czekają na odkrycie, że przydałoby się opracowanie czegoś na kształt napędu warp i podróże rodem jak ze „Star Treka”. To wciąż odległe wizje, ale przecież za takie też kiedyś uważano plany braci Wright.

Chcesz być na bieżąco z CHIP? Obserwuj nas w Google News