Jak szuka się planet pozasłonecznych? Astronomowie stosują sprytne metody

Od tamtej pory, według stanu na 1 maja 2023 r., ludzkość odkryła 5366 planet pozasłonecznych. W jaki sposób naukowcy są w stanie odkrywać niewielkie, w porównaniu z gwiazdami, nieemitujące światła globy oddalone od Ziemi o tysiące lat świetlnych? Istnieje kilka metod, a jedną z nich, unikalną, bo zastosowaną jedynie raz, jest obserwacja pulsarów. Dzięki niej właśnie Aleksander Wolszczan dokonał swojego odkrycia. Trzeba przyznać, że słowo „metoda” jest użyte tutaj nieco na wyrost, bo astronom raczej wykorzystał po prostu mechanizm działania pulsarów i przy okazji jego pomiarów dokonał odkrycia.

Czytaj także:
- Są lata świetlne od Ziemi, a znamy skład ich atmosfer. Skąd wiemy tak dużo o egzoplanetach?
- Czarne dziury są defektem czasoprzestrzeni? Nowa teoria żegna te tajemnicze obiekty
- Jeżeli poza Ziemią istnieje życie, to właśnie tam. Te miejsca wytypowali naukowcy w naszym układzie

Planety odkryte przez polskiego astronoma krążą nie wokół zwykłej gwiazdy a pulsara. To wygasłe gwiazdy neutronowe, które obracają się z ogromną prędkością wokół własnej osi, emitując wiązkę promieniowania elektromagnetycznego. Pulsar, wokół którego krążą wspomniane egzoplanety, PSR B1257+12, obraca się z np. prędkością 161 obrotów na sekundę.

Rotacja pulsara jest niezwykle regularna. Każde najmniejsze odchylenie od normy, z jaką wiruje pulsar, jest sygnałem, że nastąpiła zmiana prędkości pulsara względem Ziemi. Pozwala to wykryć i określić wpływ grawitacyjny, jaki wywierają na rotującą gwiazdę obiekty w jego okolicy.

Dzięki bardzo wysokiemu stopniowi regularności, z jaką rotują pulsary, metoda ta pozwala na wykrywanie obiektów wokół nich, które posiadają jedynie 1/10 masy Ziemi. Niestety pulsary należą do rzadkich obiektów we Wszechświecie, co sprawia, że metoda ta nie przyniosła od tamtej pory żadnych nowych odkryć planet.

Innych metod, którymi posługują się astronomowie przy poszukiwaniu egzoplanet, jest w sumie kilkanaście. Omówię tu najważniejsze z nich, które przysłużyły się odkryciu największej ilości pozasłonecznych planet.

Astrometria to po prostu badanie położenia gwiazd na niebie. Trzeba tu dodać, że w przypadku poszukiwania egzoplanet, pomiary muszą być niezwykle dokładne. Jeżeli wokół jakiejkolwiek gwiazdy krąży planeta, będzie się ona nieznacznie poruszać na skutek oddziaływania grawitacyjnego, jakie wywiera na nią orbitujący glob. Tak naprawdę Ziemia nie krąży bowiem wokół Słońca, a obydwa te ciała (jeśli rozpatrujemy hipotetyczny układ, w którym jesteśmy tylko my i nasza gwiazda) obracają się wokół wspólnego środka masy. Jest on praktycznie w tym samym miejscu co środek Słońca, z racji ogromnej przewagi gwiazdy pod względem masy. Nie jest to jednak dokładnie ten sam punkt.

Dzięki świadomości tego faktu i możliwości prowadzenia dokładnych obserwacji ewentualnych wahań w całym układzie przez Teleskop Hubble’a, naukowcy są w stanie odkrywać egzoplanety. Planeta krążąca wokół gwiazdy powoduje bowiem nieznaczne zmiany w odległości, jakie dzielą badaną gwiazdę od ich sąsiadek na niebie. Metoda astrometryczna jest najbardziej efektywna jeśli chodzi o poszukiwania planet, które krążą wokół swoich gwiazd w większej odległości. Na skutek tego, wymaga ona długiego czasu obserwacji, odpowiedniego dla okresu, w jakim dana planeta dokonuje obiegu wokół gwiazdy.

Kolejną metodą, która dla odmiany sprawdza się najlepiej przy odkrywaniu egzoplanet krążących bliżej swoich gwiazd, jest użycie efektu Dopplera i mierzenie tzw. prędkości radialnej. Ruch planety wokół gwiazdy powoduje zmiany nie tylko w dystansie, jaki dzieli ją od innych gwiazd. Z powodu jej „chybotania” wokół wspólnego środka masy zmianie ulega też jej prędkość względem Ziemi. Zjawisko tego chybotania jest nawiasem mówiąc, niezwykle użyteczne dla badaczy, ponieważ dzięki niemu mogą oni polować na egzoplanety przy użyciu różnych metod.

Jak działa ta metoda? Każda energia, czyli dźwięk, fale radiowe, ciepło i światło, porusza się falami. Innymi słowy, dźwięk, lub np. światło jest falą, która może być rozciągana lub ściskana w zależności od ruchu obiektu, który ją generuje. To skutek tego, że gdy obiekt emitujący energię np. świecąca gwiazda, zbliża się do nas, fale, które do nas z niego docierają, ulegają ściśnięciu.

Gdy źródło fali się od nas oddala, dochodzi do jej rozciągnięcia. W przypadku dźwięku, gdy fale się rozciągają, ich wysokość spada; gdy chodzi o światło gdy jego fale się rozciągają, jego źródło wygląda bardziej czerwonawo. Ta zmiana koloru nazywana jest „przesunięciem ku czerwieni" i naukowcy mogą ją łatwo wykorzystać do określenie, czy obiekt na niebie porusza się w naszym kierunku, czy też się od nas oddala.

Dzięki temu, że efekt Dopplera nie zależy od odległości od gwiazdy, metodą tą można badać gwiazdy i ich ew. planety będące w znacznych odległościach od Ziemi. Największym wyzwaniem jest w tym wypadku konieczność odseparowania istotnych danych od kosmicznego szumu. Współczesna technologia pozwala na badanie gwiazdy w promieniu około 160 lat świetlnych od Ziemi.

Inną metodą dającą najlepsze wyniki przy poszukiwaniu egzoplanet jest tranzyt. Termin ten oznacza przejście ciała niebieskiego przez tarczę innego ciała niebieskiego. W tym przypadku planeta przesłania częściowo gwiazdę. Dzięki dokładnemu pomiarowi spadku jasności tej gwiazdy można wykryć krążącą wokół niej planetę. Metoda tranzytu jest przydatna nie tylko do wyszukiwania nowych planet, ale może również dostarczyć naukowcom informacji na temat składu ich atmosfer i temperatury.

Gdy egzoplaneta przechodzi przed swoją gwiazdą, część jej światła przenika przez jej atmosferę. Naukowcy mogą wtedy analizować kolory tego światła, aby uzyskać informacje na temat jej składu. Korzystając z tej metody, astronomowie są w stanie zidentyfikować na pozasłonecznych globach ogromne bogactwo pierwiastków i związków chemicznych takich jak metan czy żelazo w stanie płynnym. Z metodą tranzytu nierozerwalnie związana jest misja NASA Kepler, która poszukiwała planet metodą tranzytu w latach 2009-2013. Skutkiem tego było odkrycie ponad 2,5 tysiąca egzoplanet!

Metoda ta ma jednak dwie wady. Po pierwsze tranzyt może zajść w sytuacji gdy planeta znajdzie się dokładnie między swoją gwiazdą a Ziemią. Nawet w przypadku planet, które krążą na orbitach blisko gwiazd, takie warunki są spełnione jedynie w przypadku 10%. Jeśli chodzi o planety na dłuższych orbitach, dzieje się tak jeszcze rzadziej.

Drugim mankamentem tej metody jest to, że obserwacje przy jej użyciu mogą prowadzić do błędnych wniosków. Światło emitowane przez gwiazdę może czasowo słabnąć z wielu różnych powodów. Naukowcy radzą sobie z tym, korzystając z cech efektu Dopplera, by potwierdzić, że rzeczywiście mają do czynienia z nową planetą.

Mikrosoczewkowanie grawitacyjne to kolejna metod. Jak sama nazwa wskazuje, główną rolę odgrywa tu grawitacja. Sprawia ona, że oddziaływanie grawitacyjne jednej gwiazdy działa jak powiększająca soczewka, wpływając na tor lotu światła, jakie dociera do nas zza niej. Dzięki temu obraz innej, znajdującej się bezpośrednio za nią, gwiazdy zostaje powiększony. By do tego doszło, obydwie gwiazdy i Ziemia muszą znaleźć się na jednej linii prostej. Nawet jeśli ten warunek zostanie spełniony, takie zjawisko trwa jedynie kilka dni lub najwyżej tygodni. Wykrywanie egzoplanet tą metodą wymaga także nieustannego obserwowania rozległego obszaru nieba.

Jednak dzięki ogromowi Wszechświata, i tak, w ciągu ostatnich kilkunastu lat astronomom udało się wykorzystać to zjawisko ponad tysiąc razy. Metoda ta sprawdza się najlepiej gdy nasze teleskopy spoglądają w kierunku gwiazd, których tłem jest centrum galaktyki. Tam jest ich bowiem najwięcej, a co za tym idzie, istnieją największe szanse na znalezienie takiej, wokół której krążą planety.

Ostatnią z metod, którą chcę się zająć, jest najbardziej oczywista. Chodzi po prostu o bezpośrednią obserwację! Najlepszym sposobem na odkrycie egzoplanety jest przecież jej zobaczenie. O ile zrozumienie działania tej metody jest banalnie proste, o tyle warunki, w których da się jej użyć, są już bardziej skomplikowane. Planety nie emitują własnego światła, a jedynie odbijają to, które trafia do nich z ich gwiazd. To powoduje, że najczęściej glob, który emituje w ten sposób miliony razy mniej światła od gwiazdy, zwyczajnie ginie w jej blasku.

Są jednak wyjątki, a dotyczą one planet o rozmiarach dużo większych od Jowisza. Oprócz tego taka egzoplaneta musi znajdować się daleko od gwiazdy i być gorąca, co owocuje emisją promieniowania podczerwonego. Jednocześnie, astronomowie mają do dyspozycji dwie sztuczki służące blokowaniu nadmiaru światła docierającego do teleskopów z obserwowanej gwiazdy. Pierwsza z nich to koronografia, która wykorzystuje urządzenie wewnątrz teleskopu do blokowania światła z gwiazdy, zanim dotrze ono do detektora teleskopu. Koronografy są obecnie wykorzystywane do bezpośredniego obrazowania egzoplanet z naziemnych obserwatoriów.

Druga to „starshade", czyli w wolnym tłumaczeniu »gwiezdna zasłona«. To po prostu obiekt, który ma zadanie blokować światło z gwiazdy, na zewnątrz, zanim jeszcze dotrze ono do teleskopu. W przypadku teleskopu kosmicznego zajmującego się poszukiwaniem egzoplanet taka „gwiezdna zasłona” miałaby formę odrębnego pojazdu. W odpowiedniej odległości od teleskopu i pod odpowiednim kątem blokowałby on światło obserwowanej gwiazdy np. poprzez rozwinięcie w przestrzeni kosmicznej specjalnej zasłony w kształcie rozety lub wachlarza.

Oprócz opisanych powyżej istnieje jeszcze kilka innych metod poszukiwania egzoplanet, nie wspominając o planowanych, choć jeszcze niesprawdzonych w praktyce. Jeśli chodzi o materiał do badań, jest on nieskończony. Możemy być pewni, że w kosmosie istnieje niezliczona ilość planet pozasłonecznych o bardzo różnych właściwościach. To sprawia, że wszyscy astronomowie zainteresowani tą dziedziną mogą spać spokojnie, jeśli chodzi o materiał do badań.