1. SPIDER'S WEB
  2. plus
  3. SW+

Polscy poszukiwacze planet pozasłonecznych. Oto kulisy ich pracy

Polscy poszukiwacze planet pozasłonecznych. Oto kulisy ich pracy

Te planety nie krążą wokół żadnej gwiazdy. Niezauważone, nieoświetlone, w ciszy przemierzają pustkę przestrzeni międzygwiezdnej. Teraz jednak zespół naukowców dostrzegł cztery nowe tzw. planety swobodne. Choć dostrzegł to za łagodne określenie. Wyłuskał ich ślady w miliardach pomiarów.

Poszukiwanie planet pozasłonecznych to jedna z najnowszych dziedzin astronomii. Przez setki lat naukowcy zastanawiali się, czy wokół innych gwiazd widocznych na nocnym niebie także krążą inne planety, czy jednak tylko Słońce ma to szczęście, że w jego otoczeniu pojawiły się takie globy jak chociażby Ziemia. Dopiero trzy dekady temu rozwój nauki w końcu pozwolił nam dostrzec pierwszą planetę nienależącą do Układu Słonecznego i krążącą wokół innej gwiazdy.

To był absolutny przełom. Okazało się bowiem, że Układ Słoneczny nie jest wyjątkowy, a planet we wszechświecie musi być mnóstwo. Obecne szacunki wskazują, że tylko w naszej galaktyce może być nawet 600 miliardów różnych planet. Co nam to daje? Skoro na Ziemi powstało życie, to pewnie mogło też powstać na innych planetach. Jeżeli natomiast liczbę planet szacujemy na setki miliardów w naszej galaktyce (a takich galaktyk są… setki miliardów), to wciąż możemy mieć setki zamieszkanych planet w każdej galaktyce, nawet jeśli życie rozwija się na jednej planecie na miliard. Odkrycie takiego życia natomiast zmieniłoby na Ziemi wszystko. Wiedzielibyśmy, że ONI tam są i zapewne nie wiedzą o nas, tak samo jak my obecnie nich.

Fot. Artsiom P / Shutterstock.com

Kosmiczny teleskop Keplera od samego początku, czyli przeszło 12 lat, służył do poszukiwania planet pozasłonecznych. Jego zwierciadło obserwując gwiazdy, poszukiwało krótkich spadków jasności poszczególnych gwiazd. Jeżeli takie spadki pojawiały się regularnie, wskazywało to, że na tle tarczy gwiazdy przechodzi krążąca wokół niej planeta, która raz na jedno okrążenie zasłania kawałek gwiazdy. A to już był sygnał, że badanie jest na dobrym tropie. 

Takich planet Kepler odkrył całe tysiące, rewolucjonizując naszą wiedzę o tym, jak dużo planet znajduje się w naszej galaktyce.

W 2016 roku teleskop Keplera obserwował okolice centrum naszej galaktyki, czyli obszar, w którym gwiazd jest wprost niewiarygodnie dużo. Teleskop wykonywał zdjęcie tego obszaru co 30 minut. Naukowcy z Wielkiej Brytanii postanowili sprawdzić, czy w danych tych nie udało się zarejestrować przypadkowych, pojedynczych wzrostów jasności gwiazd. Taki wzrost jasności mógłby być spowodowany przez występujące wyjątkowo rzadko zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego. 

Co to takiego? W wielkim skrócie – choć i on nie jest prosty do zrozumienia – takie zjawisko mogłoby być wywołane przez przejście masywnego obiektu na tle dużo bardziej odległego obiektu. Szczegółowa analiza danych pozwoliła na zidentyfikowanie 27 takich pojaśnień spowodowanych przez obiekty o różnej masie. Największą uwagę jednak przykuły cztery z nich, które według obliczeń spowodowane są przez planety o masie Ziemi przemieszczające się w przestrzeni kosmicznej bez żadnej gwiazdy.

O tym, czym jest mikrosoczewkowanie grawitacyjne, jakie dzięki niemu odkryto planety i czym właściwie są planety swobodne, opowiedział w rozmowie ze Spider’s Web+ dr Radosław Poleski z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, który jest członkiem zespołu naukowców odpowiedzialnych za to odkrycie. Aby ułatwić zrozumienie tego, o czym mówi, na końcu zamieszczamy krótki słownik najważniejszych pojęć, do których będą odsyłać gwiazdki – takie jak ta *.

Misja teleskopu Keplera zakończyła się pod koniec 2018 roku, a mimo to wciąż dostarcza on nam nowych odkryć i nowych zdziwień. Skąd pomysł na poszukiwanie zjawisk soczewkowania grawitacyjnego za pomocą teleskopu z założenia przeznaczonego do czegoś innego?

dr Radosław Poleski: W ramach swojej podstawowej misji teleskop Keplera* poszukiwał planet metodą tranzytów. Jeżeli planeta przechodziła na tle gwiazdy, zasłaniała jej niewielki wycinek, co Kepler widział jako niewielki spadek jasności gwiazdy. W tym teleskop sprawdził się rewelacyjnie. Satelita Kepler wyposażony był w cztery tzw. koła reakcyjne, które pozwalały na kontrolowanie orientacji teleskopu w przestrzeni i wpatrywanie się w jeden konkretny wycinek nieba. W ciągu wielu lat pracy dwa z nich uległy awarii. Kiedy pozostały tylko dwa koła reakcyjne, nie dało się już stabilnie sterować teleskopem. Genialni inżynierowie z NASA wpadli na pomysł, że do stabilizacji teleskopu można wykorzystać dodatkową siłę, której źródłem jest ciśnienie promieniowania słonecznego. Można powiedzieć, że ustawienie teleskopu kontrolowane było przez światło słoneczne. Dzięki niemu teleskop można było skierować prawie stabilnie w kilka wybranych obszarów nieba. Oczywiście wiązało się to z wieloma różnymi ograniczeniami, jednak teleskop nadal nadawał się do badań astronomicznych.

Po ponownym uruchomieniu satelity Kepler jego misję przemianowano na K2 i podzielono na kampanie, w ramach których obserwuje się kolejne pola na niebie. Jedno z tych pól wypadło blisko centrum galaktyki – czy też jak to się mówi poprawnie, zgrubienia centralnego naszej galaktyki. To właśnie tam obserwujemy zjawiska mikrosoczewkowania*. Stąd pomysł, aby wykorzystać Keplera do próby zaobserwowania tego zjawiska.

To teraz bardzo trudne zadanie: jak w najprostszych słowach wyjaśnić, czym jest zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego?

W zjawisku mikrosoczewkowania grawitacyjnego biorą udział trzy obiekty. Jeden z nich świeci – to jest źródło. Drugi obiekt nie musi świecić, choć z reguły świeci, ale co ważne ma określoną masę – ten obiekt to soczewka. Trzecim obiektem jest obserwator, czyli my albo w tym przypadku teleskop Keplera.

Kiedy te wszystkie trzy obiekty znajdą się w jednej linii, światło wyemitowane przez źródło – może być to gwiazda – jest lekko uginane, kiedy przebiega w pobliżu soczewki, czyli tego obiektu, który znajduje się na drodze pomiędzy źródłem a obserwatorem. To ugięcie jest spowodowane przez pole grawitacyjne soczewki. Im bardziej masywna będzie soczewka, tym ugięcie tych promieni będzie większe. W efekcie tego ugięcia do obserwatora znajdującego się na końcu dociera więcej światła, niż gdy soczewki nie ma. 

Fot. DODOMO / Shutterstock.com

Tak właśnie działa soczewkowanie grawitacyjne. Co do zasady obserwujemy dwa typy takich zjawisk. Jednym z nich jest sytuacja, kiedy soczewką jest galaktyka, czyli potężny, masywny obiekt. Jeżeli za nią znajduje się inna galaktyka, to jej obraz zdeformowany może do nas dotrzeć właśnie dzięki tej soczewce. 

Drugim typem soczewkowania grawitacyjnego jest ten, w którym źródłem jest gwiazda, a soczewką jest inna gwiazda, brązowy karzeł, czarna dziura lub właśnie planeta. W takim przypadku, gdy źródłem jest gwiazda znajdująca się w naszej galaktyce, to nie będziemy w stanie dostrzec obiektu, który jest soczewką – jeżeli na przykład będzie to planeta. Jedyne, co zobaczymy, to krótkotrwały wzrost jasności gwiazdy, gdy między nią a nami przechodzi planeta.

Patrząc w kierunku zgrubienia centralnego, spoglądamy w kierunku istnego roju składającego się z milionów, miliardów gwiazd. Szczególnie w pobliżu centrum galaktyki tłem jest niemalże kobierzec utkany z upchanych blisko siebie gwiazd. W takim miejscu zasadniczo bezustannie jakieś obiekty przelatują przed innymi, a to oznacza, że wyłowienie jakiegokolwiek sygnału, który mógłby być spowodowany przez przelot planety na tle jednej z tych gwiazd, musi być wprost niewiarygodnie trudne.

Tak, to był zdecydowanie ogromny problem, o którym wszyscy wiedzieliśmy. Korzystając z metody mikrosoczewkowania*, to, co chcemy zmierzyć na Ziemi, to zmiana jasności gwiazdy. Chcieliśmy mierzyć jasności gwiazd w tym konkretnym polu. Problem polega jednak na tym, że z góry nie jesteśmy w stanie określić, na której gwieździe zajdzie zjawisko mikrosoczewkowania. Dlatego też chcieliśmy obserwować obszar, w którym znajduje się bardzo dużo gwiazd – stąd wybór okolic centrum galaktyki. Jednak gdy projektowano teleskop Keplera, zaprojektowano w nim stosunkowo duże piksele. Dzięki nim w początkowej fazie misji teleskopu, kiedy został on wyniesiony w kosmos, można było obserwować stosunkowo dużo gwiazd na wyznaczonym wycinku nieba.

Kiedy jednak skierowano ten sam teleskop w stronę okolic centrum Galaktyki, okazało się, że tych gwiazd jest tam stanowczo za dużo. Według przeprowadzonych przeze mnie oszacowań, w najgęstszych rejonach pola obserwowanego w kierunku centrum galaktyki każdy piksel przedstawiał nawet trzy gwiazdy tego typu, które zazwyczaj obserwuje się jako źródło zjawiska mikrosoczewkowania. Jakby tego było mało, światło od jednej gwiazdy rozkłada się na kilka pikseli, więc w tych danych tak naprawdę nie widać żadnej pojedynczej gwiazdy – one niemalże się ze sobą zlewają. My natomiast w tym ogromnym zestawie niewyraźnych danych postanowiliśmy poszukać bardzo małych i delikatnych sygnałów. To było – mówiąc najprościej – szukanie igły w stogu siana.

Co było tutaj zatem igłą, a co stogiem siana?

W polu, które badaliśmy, znajdowało się około trzy miliony obiektów. Dla każdego z nich wykonano około trzy tysiące pomiarów jasności. Czyli mamy tu niemal dziesięć miliardów pomiarów jasności. I na te 10 miliardów pomiarów znaleźliśmy cztery sygnały, które wydały nam się interesujące.

Czyli na 10 miliardów pomiarów udało się znaleźć cztery ciekawe?

Blisko. Każde zjawisko mikrosoczewkowania trwało jakiś czas, który przeciętnie załapał się na 10 kolejnych pomiarów. Czyli na 10 miliardów pomiarów mieliśmy 40 interesujących, które przedstawiały cztery zjawiska mikrosoczewkowania.

W całym tym projekcie ja odpowiadałem tak naprawdę za opracowanie metody analizy tych danych. Sam pomysł miałem dużo wcześniej. Metodę pomiarów opracowywałem już od 2017 roku, a w 2019 roku ukazała się publikacja opisująca możliwość poszukiwania w takich danych zjawisk mikrosoczewkowania wcześniej nieobserwowanych z Ziemi. Tak prawdę mówiąc, właściwie nie chciałem kontynuować tych badań, bo wiedziałem, że szukanie tych igieł w stogu siana jest zajęciem wręcz katorżniczym i bardzo czasochłonnym.

Fot. Sdecoret / Shutterstock.com

Okazało się jednak, że ktoś inny przeczytał moją publikację, wziął opracowany przeze mnie publicznie kod i zaczął go używać. Był to Iain McDonald, astronom, którego jakiś czas później spotkałem na konferencji, gdzie powiedział mi, że już od jakiegoś czasu intensywnie używa opracowanego przeze mnie kodu. Było to dla mnie duże zaskoczenie, bowiem ten kod podówczas nie był jakoś szczegółowo opisany. Mimo to go wziął, przeanalizował, zrozumiał, uruchomił i zaczął wykorzystywać w swoich badaniach.

No dobrze, ale jeżeli w jednym pikselu znajdowały się nawet trzy gwiazdy, to czy po zarejestrowaniu interesującego sygnału dało się ustalić w ogóle, która konkretna gwiazda jest jego źródłem? Wszak piksela na mniejsze części już nie da się podzielić.

W danych z Keplera zdecydowanie nie widać, która gwiazda konkretnie pojaśniała. W zgrubieniu centralnym jest zdecydowanie za dużo gwiazd. Nawet jeżeli weźmiemy zdjęcia tych rejonów wykonane z Ziemi, gdzie już naprawdę bardzo dużo widać, to na podstawie danych z Keplera nie jesteśmy w stanie zidentyfikować gwiazdy, która wyemitowała dany sygnał.

Dla tych czterech odkrytych przez nas zjawisk nie mamy żadnych danych z Ziemi. W tym samym czasie, kiedy Kepler obserwował ten fragment nieba, obserwowało go kilka innych obserwatoriów na Ziemi. Niestety w tych konkretnych momentach, w których Kepler obserwował te zjawiska mikrosoczewkowania, w obserwatoriach na Ziemi był dzień albo nie było pogody i w efekcie mamy z nich jedynie pojedyncze pomiary, z których nic nie da się sensownego powiedzieć.

Co więcej, w przypadku tych czterech planet, tych czterech sygnałów sygnały obserwowane przez obserwatoria znajdujące się na Ziemi różniłyby się od sygnałów obserwowanych z tego miejsca w przestrzeni kosmicznej, w którym znajduje się Kepler. Jak duża byłaby to różnica, ciężko jest powiedzieć, ale możliwe jest, że nawet gdyby na Ziemi były idealne warunki, to część z sygnałów widziałby Kepler, a obserwatoria na Ziemi nie, z tego względu, że jesteśmy w innych miejscach w Układzie Słonecznym i patrząc w centrum galaktyki, widzimy z nich różne rzeczy.

Zastanawia mnie jedna rzecz. Powiedział pan, że może być tak, że Kepler obserwuje właśnie takie przejście planety na tle innej gwiazdy, a teleskop stojący na Ziemi może tego zjawiska już nie zobaczyć, bo owa planeta znajduje się między źródłem a Keplerem, ale już nie znajduje się między źródłem a teleskopem na Ziemi. To zaskakujące, że takie zjawisko jest obserwowane z tak potężnej odległości – wszak mówimy o tysiącach lat świetlnych – a mimo to w Układzie Słonecznym jest widoczne tylko w tak małym rejonie, że może zobaczyć je Kepler, ale już nie obserwatorium na Ziemi.

Fakt, obserwowane przez nas gwiazdy, które mogłyby być źródłami, znajdują się w odległości ok. 25 tysięcy lat świetlnych od nas. Soczewki, czyli te masywne obiekty znajdujące się między źródłami a nami – w tym przypadku prawdopodobnie planety – znajdują się nieco bliżej, w odległości około 15 tys. lat świetlnych od Ziemi.

Fot. Vadim Sadovski / Shutterstock.com

Gdybyśmy mieli do czynienia z soczewkowaniem grawitacyjnym, w którym soczewką jest galaktyka, to z pewnością i z Keplera, i z Ziemi widzielibyśmy ten sam efekt, ale im mniejsza masa soczewki, tym delikatniejszy efekt, który jest widoczny z mniejszego obszaru w przestrzeni. Kiedy soczewką jest gwiazda – a takich odkryć jest około 2000 rocznie – to mniej więcej to samo widzi każde obserwatorium na Ziemi. Kiedy soczewką jest planeta, to różnice mogą być już większe.

Porozmawiajmy o tym, co się państwu udało odkryć. Czym są planety swobodne? Myśląc o planetach pozasłonecznych, myślimy o planetach, które nie krążą w Układzie Słonecznym wokół Słońca, a krążą wokół innych gwiazd widocznych na niebie. Planety swobodne jednak nie mają swoich gwiazd. Jak to możliwe?

Planety swobodne to są obiekty o masach zbliżonych do planet, które z naszej perspektywy wyglądają na samotne, pojedyncze. Wokół nich nie ma niczego innego. Bardzo ciężko odkryć takie obiekty, stąd znamy ich bardzo mało.

Skąd się biorą? Są dwa zasadnicze mechanizmy ich powstawania. Można sobie wyobrazić, że taki obiekt powstaje z obłoku pyłowo-gazowego tak samo jak gwiazda, ale nie uzyskuje wystarczającej masy, aby w jego wnętrzu rozpoczęły się procesy fuzji jądrowej, a więc pozostaje planetą, a nie gwiazdą. Tego typu obiektów powinno być bardzo mało i powinny mieć masy porównywalne z masą Jowisza lub większe. I to jest pierwszy mechanizm powstawania takich obiektów.

Drugi mechanizm jest dużo bardziej zwyczajny. Obiekty tego typu mogą tworzyć się w innych układach planetarnych, w których krążą wokół jakiejś gwiazdy i w wyniku czegoś, co się dzieje w takim układzie, są wystrzeliwane grawitacyjnie na zewnątrz układu. Do takich zdarzeń najczęściej dochodzi w bardzo młodych układach planetarnych, gdy jeszcze się one formują, gdy orbity planet nie są jeszcze stabilne i bardzo szybko się zmieniają. Skutkiem tego mechanizmu musi z kolei być powstawanie planet samotnych* o bardzo małych masach, zbliżonych bardziej do masy Ziemi, a nie Jowisza. Bowiem dużej planecie łatwo jest wyrzucić z układu mniejszą niż odwrotnie. Gdyby zmienić orbitę Jowisza, np. przesunąć ją bliżej Słońca, to mógłby on z czasem wyrzucić Ziemię czy Marsa z Układu Słonecznego, a gdyby przesunąć w ten sposób orbity Jowisza i Saturna, to w ogóle byłoby to łatwe zadanie.

Mówię o tym z jednego powodu: wiele wskazuje na to, że do takiej przepychanki mogło kiedyś dojść w Układzie Słonecznym i jedna z planet, której dzisiaj nie znamy, mogła zostać wyrzucona z naszego układu planetarnego. Aktualne orbity oraz skład chemiczny gazowych olbrzymów – Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna – według najlepszych modeli mogły powstać wskutek wyrzucenia jeszcze jednego obiektu planetarnego z naszego bezpośredniego otoczenia. Możliwe zatem, że w Drodze Mlecznej jest jakaś planeta swobodna, która kiedyś krążyła wokół naszego Słońca.

Fot. True Touch Lifestyle / Shutterstock.com

Analogicznie, dwie ostatnie planety Układu Słonecznego, Uran i Neptun także w przeszłości były najprawdopodobniej poddawane oddziaływaniom grawitacyjnym ze strony Jowisza i Saturna. Najlepsze modele powstawania planet wskazują, że mają one za dużą masę jak na to, gdzie aktualnie się znajdują. W tak dużej odległości od Słońca nigdy by tak duże nie urosły. Możliwe zatem, że powstały one znacznie bliżej, ale z czasem Jowisz i Saturn wypchnęły je na odleglejsze orbity. Gdyby planety dostały większego kopa, to być może całkowicie opuściłyby Układ Słoneczny.

Wracając zatem do odkrytych przez państwa planet, czy da się jeszcze kiedykolwiek je zaobserwować? Przeszły na tle gwiazdy, poleciały dalej i znowu są niewidoczne. Czy istnieje możliwość, że za jakiś czas któraś z nich przejdzie na tle innej gwiazdy i czy będziemy mogli w jakiś sposób poznać, że to ta sama planeta?

Najprawdopodobniej o tych konkretnych planetach swobodnych nigdy więcej już nic nie powiemy. Jedyna nadzieja na ich dostrzeżenie byłaby, gdyby okazało się, że jednak nie są to planety swobodne, a znajdują się na bardzo szerokich orbitach wokół jakichś gwiazd, których nie wzięliśmy pod uwagę. Możemy np. wykonać podobne obserwacje tego samego obszaru za powiedzmy 20 lat i sprawdzić, czy czasem nie pojawi nam się tam soczewka podwójna. Oznaczałoby to, że to, co teraz wzięliśmy za planetę, było w rzeczywistości gwiazdą i planetą, które ustawiły się tak, że widzieliśmy jedynie sygnał od planety.

Słownik najważniejszych pojęć

  • Samotna planeta – planeta powstała w otoczeniu młodej gwiazdy, a następnie wyrzucona w przestrzeń międzygwiezdną wskutek interakcji grawitacyjnych z innymi planetami. Taka planeta nie krąży już wokół innej gwiazdy, a swobodnie przemierza przestrzeń między gwiazdami.
  • Teleskop Keplera – teleskop kosmiczny wysłany w przestrzeń kosmiczną w 2009 r. przez amerykańską agencję kosmiczną. Jego głównym zadaniem przez dziewięć lat było poszukiwanie planet pozasłonecznych krążących wokół innych gwiazd. W trakcie jego misji udało się odkryć blisko 3 tys. planet. Naukowcy wciąż znajdują nowe planety w danych archiwalnych zebranych przez niedziałający już teleskop.
  • Mikrosoczewkowanie – zjawisko, w którym masywny obiekt znajdujący się między obserwatorem a odległym źródłem światła (gwiazdą, galaktyką) zakrzywia grawitacyjnie promienie światła biegnące od odległego obiektu, skupiając je na obserwatorze, dzięki czemu obserwator jest w stanie dostrzec obiekt lepiej niż gdyby soczewki między nim a źródłem światła nie było.

    Zdjęcie tytułowe: IgorZh/shutterstock.com