Są lata świetlne od Ziemi, a znamy skład ich atmosfer. Skąd wiemy tak dużo o egzoplanetach?
Wiemy o istnieniu dziesięciu tysięcy egzoplanet, które zostały odkryte. Informacje o nowym globie krążącym wokół innej niż Słońce gwiazdy, nie robią już dziś na nikim wrażenia. Naukowcy niemal co drugi dzień podają do wiadomości fakt, że gdzieś we wszechświecie istnieje jakaś planeta, krąży wokół określonej gwiazdy, a jej atmosfera zawiera odpowiednie pierwiastki chemiczne. Zwykle takiej informacji towarzyszą też dane dotyczące wielkości planety wraz z jej odległością od Ziemi.
Posiadanie przez naukowców danych na temat odległości systemu planetarnego od naszej planety oraz przynajmniej podstawowych, dotyczących macierzystej gwiazdy, jest dość logiczne. Skąd jednak astronomowie wiedzą, jaki skład ma atmosfera zaobserwowanej planety, skoro ta znajduje się nieraz dziesiątki tysięcy lat świetlnych od nas? Przecież do dyspozycji są tylko teleskopy. Najdalszymi planetami, do jakich dotarły wysłane przez ludzkość sondy kosmiczne, są zewnętrzne globy Układu Słonecznego i zdegradowany z grona planet Pluton, również znajdujący się w naszym systemie.
Czytaj także:
- Zamienią energię ze Słońca w paliwo. Właśnie stworzyli syntetyczne liście
- Czarne dziury są defektem czasoprzestrzeni? Nowa teoria żegna te tajemnicze obiekty
- Wszechświat jest tak wielki, że pozwala zobaczyć przeszłość i przyszłość. Jak to możliwe?
Jak sprawdzić, jaki skład ma atmosfera egzoplanety?
Kluczem jest tutaj słowo „zaobserwowana” odnoszące się danej egzoplanety. Wszystkie informacje, jakie naukowcy posiadają na temat poza słonecznych planet, pochodzą z obserwacji. Jeśli jest się w stanie przeprowadzić owe obserwacje odpowiednio precyzyjnie, rejestrując możliwie najpełniejszy obraz egzoplanety i posiada się wiedzę z zakresu spektroskopii, można dzięki samym tylko zdjęciom przesłanym przez np. Teleskop Kosmiczny Hubble’a określić skład atmosfery planety.
Spektroskopia to, mówiąc w dużym uproszczeniu, dziedzina zajmująca się badaniem emisji i pochłaniania światła (i innego promieniowania) przez materię. Dzięki niej astronomowie są w stanie określić skład egzoplanet, obserwując ich kolor, a ściślej widmo światła, jakie odbijają. Jak mówi Markus Janson z Uniwersytetu w Toronto, który zajmuje się poszukiwaniem planet pozasłonecznych:
Widmo światła, jakie dociera do nas po odbiciu od badanej przez nas planetę, jest jak jej odcisk palca. Dostarcza nam kluczowych informacji na temat pierwiastków chemicznych w jej atmosferze. Dzięki tym informacjom możemy lepiej zrozumieć, w jaki sposób uformowała się planeta, a w przyszłości możemy nawet być w stanie znaleźć charakterystyczne oznaki obecności życia.
Ten planetarny odcisk palca jest często obserwowany jako absorpcja, czyli pochłanianie światła. Jak wiadomo, każdy atom posiada elektrony, które dążą do tego, by znaleźć się w konfiguracji o jak najniższej energii. Gdy światło, a dokładnie fotony posiadające energię uderzają w elektron, mogą wynieść go na wyższy poziom energetyczny. To właśnie jest absorpcja.
Dodatkowo, wiemy, że elektrony każdego pierwiastka pochłaniają światło o określonej długości fali, czyli energii, która wynika z różnicy między poziomami energii w danym atomie. Elektrony, które zetknęły się z fotonami i ich energią dążą do tego, by powrócić do swoich pierwotnych poziomów energetycznych, więc nie utrzymują energii przez długi czas. Kiedy pozbywają się energii otrzymanej od wiązki światła, uwalniają fotony o dokładnie tych samych długościach fal światła, które zostały zaabsorbowane w pierwszej kolejności.
Ponieważ długość fali, jaką jest światło, jest unikalna dla każdego pierwiastka, astronomowie mogą dzięki niej określić, które pierwiastki są obecne w atmosferze planety, którą obserwują. Ilość pochłanianego światła może również dostarczyć informacji o ilości każdego pierwiastka.
Spektroskopia jest nieoceniona.
Istnieją też inne techniki, jakie wykorzystuje się do określenia składu atmosfer niektórych egzoplanet. Naukowcy przyglądają się np. światłu pochodzącemu od macierzystej gwiazdy planety w trakcie i po przejściu planety przed jej powierzchnią. Biorąc pod uwagę różnicę między widmem światła gwiazdy, jakie do nas dociera w tych różnych momentach, można określić niektóre dane na temat składu atmosfery planety. Technika ta jest określana po angielsku jako „transit spectroscopy”, co można przetłumaczyć jako „spektroskopię tranzytową”. Tranzyt, to w astronomii przejście jednego ciała niebieskiego przez tarczę drugiego ciała niebieskiego.
W każdej metodzie jednak kluczowe jest to, jak zmienia się światło podczas przechodzenia przez atmosferę egzoplanety. Oczywiście, im więcej pierwiastków chemicznych zawiera badana atmosfera, tym bardziej skomplikowane może stać się jego widmo. Przy ustalaniu jej składu w grę mogą też wchodzić inne czynniki, takie jak ruch, który może wpływać na pozycje tzw. linii widmowych. Dzięki modelowaniu komputerowemu astronomowie są w stanie odróżnić od siebie wiele różnych pierwiastków i związków chemicznych nawet w bardzo „zatłoczonym” widmie.
Na poniższej ilustracji przedstawione są widma jakie posiadają kolejno węgiel (carbon), tlen (oxygen), azot (nitrogen) i żelazo (iron):
Wyzwaniem dla astronomów jest to, że nie wszystkie pierwiastki są jednakowo widoczne, a światło docierające do nas po odbiciu od odległych egzoplanet jest bardzo słabe. Dlatego obecnie jesteśmy w stanie wyróżnić jedynie najjaśniejsze związki chemiczne, do których należą woda, metan, tlenek węgla, sód, a także szereg tlenków metali. Jeśli chodzi o inne składniki egzoplanetarnych atmosfer, naukowcy posiłkują się wiedzą na temat planet w naszym Układzie Słonecznym.
Dzięki dokładnej znajomości budowy ich atmosfer powstały szczegółowe modele chemiczne i fizyczne, które pomagają w ocenie danych, jakie pochodzą z obserwacji odległych globów.
