02/02/2016

Exoplanety: odkrywanie i obserwacja

Informacje

Co to jest exoplaneta? Ich najczęstsza definicja brzmi „planeta podobna do Ziemi”. Jednak chociaż ta definicja jest popularna, prawdziwa brzmi „exoplanety to wszystkie planety krążące wokół gwiazdy innej niż Słońce”. Inaczej mówiąc, są to planety znajdujące się poza Układem Słonecznym.

exoplanets-FB

Co to jest exoplaneta?

Aby ciało niebieskie zostało uznane za planetę, musi spełniać trzy warunki. Po pierwsze, powinno krążyć wokół gwiazdy. Jeśli gwiazdą tą nie jest Słońce, jest ono exoplanetą. Jednak jeśli spojrzymy na nasz Układ Słoneczny, istnieje tam wiele innych obiektów krążących wokół Słońca jak pas planetoid.

Tutaj pojawia się drugi warunek: masa planety powinna być mniejsza niż masa gwiazdy, ale większa niż masa asteroidy, czyli na tyle duża, aby powstała wokół niej własna grawitacja.

Trzeci i ostatni warunek: na tej samej orbicie nie mogą znajdować się inne ciała gwiazdowe, na której znajduje się planeta. Takie podejście sprawiło, że w 2006 roku Pluton spadł w rankingu i obecnie jest uważany za planetę karłowatą.

Jest wiele gwiazd, przez co można pomyśleć, że istnieje także wiele planet pozasłonecznych, ale póki co naukowcy wiedzą jedynie o około 2000. Badacze zaczęli obserwować exoplanety całkiem niedawno – około 20 lat temu.

Trudno stwierdzić, kiedy dokładnie astronomom po raz pierwszy udało się odkryć exoplanetę. Mogło to się wydarzyć w roku 1995, gdy dwóch szwajcarskich naukowców, Mayor i Kelos, udowodnili, że istnieje planeta podobna do Jupitera, krążąca wokół gwiazdy Peg 51.

W poszukiwaniu exoplanet

Pierwsza metoda poszukiwania planet znajdujących się poza Układem Słonecznym polega na śledzeniu ruchów obserwowanej gwiazdy. Wiadomo, że gwiazda i planeta wzajemnie na siebie reagują – a mówiąc precyzyjniej, oprócz tego, że planeta okrąża gwiazdę, cały system gwiazdowy obraca się wokół swojego środka grawitacji, który znajduje się w pobliżu środka gwiazdy.

Sama planeta jest zbyt mała, aby analizować jej parametry z powierzchni Ziemi lub satelitów znajdujących się w niedalekiej odległości, lecz można przeanalizować gwiezdne widmo emisji. Ponieważ gwiazda porusza się, jej widmu towarzyszy tzw. efekt Dopplera. Po wyizolowaniu go i zmierzeniu w relatywnie długim czasie można obliczyć okres obrotu gwiazdy. Po oszacowaniu masy gwiazdy i wyliczeniu jej okresu obrotu można wyliczyć masę planety. W ten sposób można odkryć exoplanetę. Właściwie połowa ze znanych exoplanet została odkryta przy użyciu tej prostej metody.

Kolejna metoda wydaje się prostsza, ale tylko z pozoru. Opiera się ona na obserwowaniu cienia planety przechodzącej przez tarczę innego ciała niebieskiego. Jeśli teleskop jest ustawiony równo z domniemaną płaszczyzną orbity obserwowanej planety, wcześniej czy później będzie można zauważyć, że pochodzący od gwiazdy blask nieco zanika ze względu na jej częściowe zaćmienie, powodowane przez planetę, która porusza się w poprzek.

Jednak metoda ta posiada pewne wady. Po pierwsze, blask zanika tylko na 0,0002%, co wyjaśnia konieczność posiadania sprzętu najwyższej klasy. Po drugie, na gwieździe mogą znajdować się ciemne plamy, które mogą być pomylone z zasłaniającą ją planetą. Po trzecie, wyniki badań mogą zostać przekłamane przez znajdujące się w przestrzeni śmieci, którerównież mogą mieć wpływ na świecenie gwiazdy.

exoplanets-nebulae

Istnieje jeszcze jedna metoda zwana miskrosoczewkowaniem. Zgodnie z teorią grawitacji ciała fizyczne zniekształcają otaczającą je przestrzeń – im większe jest ciało niebieskie, tym większe są zniekształcenia. W związku z tym, jeśli duży obiekt przechodzi pomiędzy badaczem a badanym obiektem, powstałe zniekształcenie powoduje zwiększenie blasku badanego obiektu, co przypomina rozbłysk.

Rozbłysk ten może zostać zauważony tylko wtedy, gdy mijający obiekt świeci stosunkowo słabo. Wystąpienie tak korzystnych warunków dla tej metody badania jest bardzo nieprawdopodobne, ponieważ astronomowie muszą obserwować równocześnie wiele gwiazd, czekając na rozbłysk którejś z nich. Ta metoda obserwacji stała się możliwa wraz z wynalezieniem matrycy CCD — takiej, jaka znajduje się w aparatach cyfrowych.

Mikrosoczewkowanie jest wygodne dla astronomów z kilku różnych powodów. Po pierwsze, jest to najbardziej niezawodny sposób badania. Po drugie, teleskop używany do wyszukiwania planet pozasłonecznych nie musi być dostosowany do płaszczyzny orbity gwiazdy.

Czwarta metoda odkrycia jest zabawna, ale funkcjonalna. Umożliwia potwierdzenie obecności exoplanety za pomocą mierzenia czasu. Koncepcja ta wygląda następująco: obserwujesz pewną okresową aktywność gwiazd i rejestrujesz zakłócenia cyklu. Są one spowodowane wpływem innego ciała niebieskiego na aktywność gwiazd – całkiem prawdopodobne, że jest nim exoplaneta. To prosty sposób odkrycia exoplanety okrążającej podwójne gwiazdy lub pulsary, które cechują się sztywnymi i zauważalnymi cyklami.

Istnieje wiele innych metod odkrywania exoplanet, które nie są tak często używane: na przykład, exoplanety mogą zostać odkryte za pomocą pomiaru dokładnej lokalizacji gwiazdy lub poprzez bezpośrednią obserwację obiektu podobnego do obiektu na obrazach uzyskanych z teleskopów.

Dlaczego exoplanety tak bardzo nas interesują

Są dwa główne powody. Pierwszy: tajemniczy kosmos zawsze był atrakcyjny dla ludzi, a wraz z rozwojem technologii ludzie chcą z niej korzystać niemal natychmiast, aby dowiedzieć się więcej o ciałach niebieskich. Było tak z gwiazdami, z naszym Wszechświatem, i tak jest z planetami.

exoplanets-stars

Drugi: ludzie zawsze będą ciekawi, czy istnieje życie pozaziemskie. W tym względzie exoplanety są w kręgu „podejrzanych”. Każde odkrycie exoplanety w „strefie nadającej się do zamieszkania” przyciąga ogromne zainteresowanie i prawdopodobnie właśnie dlatego wielu ludzi definiuje exoplanetę jako „planetę podobną do Ziemi”. Strefa nadająca się do zamieszkania to przestrzeń wokół gwiazdy, która nie jest ani zbyt zimna, ani zbyt ciepła, dzięki czemu organiczne formy życia mogłyby używać wody w stanie ciekłym.

Tę „ani zbyt zimną, ani zbyt gorącą” strefę określa pewien zakres odległości pomiędzy exoplanetą a gwiazdą. Analizując widmo odbicia wspomnianej planety pozasłonecznej, można oszacować, czy może na niej istnieć woda w stanie ciekłym. Niestety nowoczesna technologia umożliwia nam jedynie wykonanie półdokładnych założeń opartych na pewnych parametrach planetarnych.

Na przykład niedawno teleskop Kepler odkrył exoplanetę na granicy konstelacji Łabędzia i Wagi, która została nazwana Kepler 452b, a media ochrzciły ją „Nową Ziemią”.

Kepler-452b okrąża gwiazdę, która jest tylko 10% cięższa niż nasze Słońce. Jego okres obiegu wynosi 385 dni, a orbitalna trajektoria przypomina ziemską. Kepler-452b ma twardą powierzchnię i masę, która przekracza ziemską o 60%. Podsumowując, jest to planeta całkiem podobna do Ziemi.

Mamy zatem sporo dobrych wieści, ale jest też jedna wada: planeta ta jest od nas oddalona o 1400 lat świetlnych. Dla porównania: najbliższa Ziemi gwiazda (poza Słońcem) jest 4,2 lat świetlnych od nas. Mimo to dążenie do znalezienia odpowiedzi na pytanie, czy Kepler-452b nadaje się do zamieszkania, wciąż jest zajęciem fascynującym. A co, jeśli tak?