Patrząc na niebo w bezchmurną noc, możesz być pewien tego, czego nasi przodkowie nawet nie podejrzewali: przynajmniej jedna planeta krąży wokół prawie każdej gwiazdy.
Światy na orbitach innych gwiazd nazywane są „egzoplanetami” i obejmują zarówno gigantyczne gazowe olbrzymy większe niż Jowisz, jak i małe skaliste planety, takie jak Ziemia czy Mars. Odległe planety mogą być wystarczająco gorące, aby metal na ich powierzchni topił się lub lodowe kule śnieżne. Wiele z nich obraca się tak szybko i blisko swoich gwiazd, że ich rok trwa kilka ziemskich dni. Niektórzy mogą mieć dwa słońca. Są wędrowcy wygnani ze swoich systemów, ci, którzy wędrują w ciemności po całej galaktyce.
Droga Mleczna to ogromna rodzina gwiazd, rozciągająca się na około 100 000 lat świetlnych. Jego spiralna struktura zawiera około 400 miliardów mieszkańców, a wśród nich jest nasze Słońce. Jeśli każda z tych gwiazd nie ma jednej planety na swojej orbicie, ale kilka, jak w Układzie Słonecznym, to liczba światów w Drodze Mlecznej jest po prostu astronomiczna: liczba ta sięga bilionów.
Systemy gwiezdne żyjące w Drodze Mlecznej. Źródło: ESA / Hubble / ESO / M. Kornmesser.
Od kilku stuleci ludzkość zastanawiała się nad możliwością istnienia planet wokół odległych gwiazd, a teraz z całą pewnością mówimy, że istnieją światy pozasłoneczne. Nasz najbliższy sąsiad, Proxima Centauri, niedawno odkrył skalistą planetę, która prawdopodobnie nie jest sama. Odległość do niej wynosi około 4,5 roku świetlnego lub 40 bilionów kilometrów. Jednak większość znalezionych egzoplanet znajduje się setki lub tysiące lat świetlnych od nas.
Zła wiadomość: nie mamy jeszcze sposobu, aby do nich dotrzeć. Dobra wiadomość jest taka, że możemy na nie spojrzeć, oszacować temperatury, „sondować” atmosferę i być może w najbliższej przyszłości odkryjemy oznaki życia, które są ukryte w słabym świetle z tych odległych światów.
Pierwszą egzoplanetą, która wkroczyła na światową arenę, była 51 Pegasi b, „gorący Jowisz” oddalony o 50 lat świetlnych, który okrąża gwiazdę w ciągu 4 ziemskich dni. Punkt zwrotny, po którym planety pozasłoneczne stały się powszechne, nastąpił w 1995 roku.
Artystyczne przedstawienie gorącego Jowisza. Kredyt: ESO.
Film promocyjny:
Przed 51 Pegasi b było kilku kandydatów. Egzoplaneta znana dziś jako Tadmor została odkryta w 1988 roku. Chociaż jego istnienie zostało zakwestionowane w 1992 roku z powodu niewystarczających dowodów, dziesięć lat później dodatkowe obserwacje potwierdziły, że planeta krążyła wokół Gamma Cepheus A. Następnie, w 1992 roku, odkryto system „planet pulsarowych”. Światy te krążą wokół martwej gwiazdy, pulsara PSR 1257 + 12, który znajduje się 2300 lat świetlnych od Ziemi.
Żyjemy teraz we wszechświecie egzoplanet. Ich liczba stale rośnie, a w tej chwili liczba potwierdzonych planet poza Układem Słonecznym przekroczyła linię 3700, ale w następnej dekadzie harmonogram może skoczyć do kilkudziesięciu tysięcy.
Jak do tego doszliśmy?
Jesteśmy u progu wielkich odkryć. Era wczesnych eksploracji i pierwszych potwierdzonych egzoplanet przygotowała grunt pod kolejną fazę: poszukiwanie odległych światów z bardziej „czujnymi” i wyrafinowanymi teleskopami w kosmosie i na Ziemi. Niektórym z nich powierzono zadanie przeprowadzenia dokładnego spisu populacji, obliczenia różnych rozmiarów i typów egzoplanet. Inni badają poszczególne światy, ich atmosfery i potencjał do podtrzymywania życia.
Coraz większą rolę odgrywa bezpośrednia wizualizacja egzoplanet, czyli ich rzeczywiste obrazy, choć naukowcy osiągnęli obecny poziom wiedzy głównie drogą pośrednią. Dwie główne metody to chybotanie i zaćmienie.
Animacja złożona z obrazów czterech masywnych egzoplanet krążących wokół młodej gwiazdy HR 8799. Źródło: Jason Wang / Christian Marois.
Pierwsza polega na ustalaniu wyraźnych oscylacji gwiazd pod wpływem grawitacji krążącej planety. Te odchylenia charakteryzują masę egzoplanety. Metoda umożliwiła potwierdzenie pierwszych kandydatów, w tym 51 Pegasi b, i łącznie, mierząc prędkość radialną, odkryto około 700 światów.
Jednak zdecydowaną większość egzoplanet można znaleźć metodą tranzytową, która polega na uchwyceniu niewiarygodnie małej kropli jasności gwiazdy, gdy planeta przecina jej dysk. Ta strategia wyszukiwania wskazuje rozmiar obiektu. Kosmiczny Teleskop Keplera NASA, wystrzelony w 2009 roku, znalazł w ten sposób około 2700 potwierdzonych egzoplanet. Do dziś wciąż odkrywa nowe światy, ale niestety jego polowanie wkrótce się skończy, ponieważ kończy się paliwo.
Każda metoda ma swoje wady i zalety. Pomiar prędkości radialnej pokazuje masę planety, ale nie dostarcza informacji o jej średnicy. Tranzyt mówi o wielkości świata pozasłonecznego, ale nie pozwala na określenie masy.
Ale gdy używa się razem kilku metod, możemy uzyskać ważne dane o układzie planetarnym bez bezpośredniej wizualizacji. Najlepszym przykładem jest TRAPPIST-1, oddalony o około 40 lat świetlnych, na którym siedem planet wielkości Ziemi krąży wokół małego czerwonego karła.
Planety krążące wokół ultra-chłodnego czerwonego karła TRAPPIST-1 w porównaniu do Ziemi. Źródło: ESO / M. Kornmesser.
Rodzina TRAPPIST-1 została zbadana przez teleskopy naziemne i kosmiczne. Badania wykazały nie tylko średnice siedmiu gęsto upakowanych planet, ale także ich subtelne oddziaływanie grawitacyjne na siebie. Teraz znamy ich masy i średnice, możemy oszacować temperaturę na powierzchni, a nawet odgadnąć kolor nieba na każdym z nich. Chociaż wciąż wiele nie wiadomo o tych siedmiu planetach, w tym o tym, czy są one pokryte oceanami, czy skorupą lodu, TRAPPIST-1 stał się obok naszego najlepiej zbadanym układem gwiezdnym.
Co dalej?
Następnym krokiem będzie nowa generacja teleskopów kosmicznych. Przede wszystkim TESS, którego premiera zaplanowana jest na 16 kwietnia 2018 r. Ten nowoczesny instrument przeprowadzi prawie pełne badanie pobliskich jasnych gwiazd w poszukiwaniu planet tranzytowych.
TESS wybierze najlepszych kandydatów do dokładniejszego zbadania przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który poleci w kosmos w 2020 roku. Następca Hubble'a, z jego ogromnym lustrem, będzie zbierał światło bezpośrednio z samych planet, które następnie będzie można rozłożyć na widmo, rodzaj kodu kreskowego pokazującego, jakie gazy są obecne w atmosferze egzoplanety. Głównymi celami teleskopu będą „superziemi”.
„Hunter” dla egzoplanet TESS. Kredyt: NASA.
Niewiele wiadomo dziś o tej klasie światów pozasłonecznych, w tym o tym, czy nadają się one do zamieszkania. Powodem tego jest brak analogów superziemi w Układzie Słonecznym. Jeśli nam się poszczęści, jeden z nich będzie wykazywał w swojej atmosferze oznaki tlenu, dwutlenku węgla i metanu. Jednak polowanie na atmosfery planet wielkości Ziemi będzie musiało zostać odłożone do następnej generacji teleskopów kosmicznych w 2030 roku.
Dzięki teleskopowi Keplera wiemy teraz, że gwiazdy nad nami są otoczone planetami. I możemy być pewni nie tylko ogromnej różnorodności sąsiadów egzoplanetarnych, ale także tego, że przygoda dopiero się zaczyna.
Roman Zacharow