Urodzaj światów - egzoplanety
Teleskop krążący po orbicie heliocentrycznej - a więc obiegający Słońce tak jak Ziemia - miał za zadanie zbadać jasność 150 tys. gwiazd na Drodze Mlecznej, podobnych do Słońca, znajdujących się na pograniczu gwiazdozbiorów Łabędzia i Lutni (1). Przez kilka lat przesyłał seryjnie sygnały o kolejnych odkryciach egzoplanet.
Wśród pierwszych były Kepler-4b, 5b, 6b, 7b i 8b. Każda z nich okrąża inną gwiazdę, w niewielkiej odległości od niej (rok trwa na tych planetach ledwie kilka dni). Wszystkie są wielkie - mniej więcej cztery razy większe od Ziemi (Kepler- 4b ma promień o wielkości 1,5 promienia Jowisza). Pierwsze odkrycia potwierdzały wcześniejsze przypuszczenia o powszechności występowania planet w kosmosie.
Jednak nie były to podobne do Ziemi obiekty, więc sensacji nie było. We wrześniu 2011 r. badacze z Instytutu SETI z Kalifornii, analizując dane z Keplera, odkryli układ Kepler-16 (200 lat świetlnych od Ziemi).
Składa się z dwóch gwiazd - czerwonego karła o masie 0,2 masy naszego Słońca i pomarańczowego karła (0,62 masy Słońca) - wokół których orbituje olbrzym typu jowiszowego.
Był to pierwszy układ podwójny gwiazd z planetą wykryty metodą tzw. tranzytów. Polega on na tym, że gdy planetarny towarzysz gwiazdy przesuwa się na tle jej tarczy, wywołuje okresowe jej pociemnienie (zabiera część jej promieniowania). Analizując intensywność i czas trwania tego zjawiska, można obliczyć promień planety i okres jej obiegu.
W grudniu 2011 r. gruchnęła wiadomość, że Kepler odkrył dwie planety: jedną wielkości Ziemi i mniejszą - w układzie Kepler-20, położonym w Lutni, w odległości 950 lat świetlnych od nas, z pięcioma planetami, z których Kepler-20e ma rozmiary mniejsze od Wenus, a Kepler-20f promień nieomal równy promieniowi Ziemi. Niestety, żadna z tych planet nie leży w tzw. ekosferze, czyli obszarze wokół gwiazd (nie za blisko nich), nadającym się do życia, gdzie może występować woda w stanie ciekłym.
O takim rejonie mówi się często "Strefa Złotowłosej", nawiązując do motywów popularnej bajki dla dzieci. Jest bowiem "w sam raz dobra dla życia". Kepler-20e i 20f nie leżą jednak w takiej strefi e. Są zbyt blisko swojej gwiazdy, a temperatury na ich powierzchniach wynoszą 500-760°C. Jak widać, napięcie narastało, ale wciąż byliśmy przed kulminacyjnym punktem kosmicznego widowiska, które zafundował nam teleskop.
Po pierwszych dwóch latach jego działalności badacze przyznali, że chociaż Kepler odkrywa wciąż nowe planety, to najczęściej są to ciała kilka razy większe od Ziemi i zwykle orbitujące bardzo blisko swoich macierzystych gwiazd. W 2013 r. Kepler znalazł w końcu coś, co przyprawiło poszukiwaczy drugiej Ziemi o szybsze bicie serca.
W układzie Kepler-62, złożonym z pomarańczowego karła (70 procent masy naszego Słońca) i pięciu planet, dwie - Kepler- 62e i Kepler-62f - są tylko niewiele masywniejsze od Ziemi i leżą w ekosferze. 62f ma promień wynoszący 1,4 promienia Ziemi, jest planetą skalistą i okrąża swoją gwiazdę w 267 dni. Rok temu przez światowe media przemknęły z kolei fantazje na temat wyglądu planety Kepler- 186f w gwiazdozbiorze Łabędzia - kolejnej na liście "drugich Ziemi".
Sławę zawdzięczała swojemu rozmiarowi - bardzo podobnemu do Ziemi - i faktowi, że znajduje się w strefi e życia. Kepler-186f to jedna z pięciu planet o wielkości zbliżonej do Ziemi, w systemie gwiezdnym położonym o blisko 500 lat świetlnych od Słońca. Ale tylko ona leży w strefi e nadającej się do życia. Pozostałe są zbyt blisko gwiazdy.
Pożytki z tranzytu
Pierwszą planetę pozasłoneczną odkryto na początku lat 90. XX wieku. W zespole odkrywców był polski radioastronom Aleksander Wolszczan. Krąży ona wokół pulsara, a więc gwiazdy neutronowej emitującej z niezwykłą regularnością pulsy promieniowania. Gdy pulsar ma planetarnego towarzysza, regularność pulsów zostaje zaburzona. Pulsarów jest w kosmosie mało, dlatego trudno uznać je za podstawę do poszukiwania egzoplanet.
Opracowano więc inne metody, np. spektroskopię dopplerowską, która bada prędkości radialne gwiazd. Prędkość ta zmienia się, gdy gwiazda ma orbitującego towarzysza (w tym przypadku planetę), który wpływa na nią grawitacyjnie.
Gwiazda nieco oddala się wówczas od obserwatora i przybliża do niego. Gdy się oddala, prędkość jest dodatnia (linie widmowe gwiazdy przesuwają się wtedy w kierunku większych długości fal).
Odwrotnie, gdy gwiazda się przybliża. Badania prędkości radialnych były dotychczas najczęściej stosowane już w obserwacjach prowadzonych z Ziemi.
Małych planet, typu ziemskiego, tym sposobem raczej się nie znajdzie. Dlatego łowcy obcych planet najczęściej wykorzystują obecnie wspomnianą metodę, zwaną tranzytem. W oparciu o nią działa kosmiczne obserwatorium Keplera.
Teleskop wyposażono w 95-centymetrowy fotometr (rodzaj teleskopu), z matrycą składającą się z czterdziestu czterech bardzo czułych układów CCD, czyli takich, jakie stosuje się w nowoczesnych aparatach cyfrowych. W sumie rozdzielczość teleskopu Keplera to 95 megapikseli. Istnieją jeszcze inne metody poszukiwania obcych planet - technika mikrosoczewkowania grawitacyjnego, astrometrii oraz bezpośrednich obserwacji, jednak metoda tranzytowa obecnie dominuje. Wykrywa się dzięki niej ok. 95 procent egzoplanet (2).
Nie tylko rozmiar się liczy
Szacuje się, że 17 procent gwiazd skupionych w naszej Galaktyce ma planetę lub planety typu ziemskiego, czyli o porównywalnej z Ziemią masie (3). Większość z nich porusza się wprawdzie po ciasnych orbitach, podobnych do tej, jaką ma Merkury, ale krążą wokół różnych gwiazd, z których część jest od Słońca wyraźnie mniejsza. Zdaniem uczonych, wokół połowy wszystkich gwiazd Galaktyki orbitują blisko planety różnej wielkości, a więc porównywalne z Ziemią i większe.
Wychodzi na to, że co najmniej dwie trzecie gwiazd Drogi Mlecznej ma jakieś planety. Ich liczbę szacuje się obecnie na ok. 400 mld. Przyjmując, że planety zwykle nie występują pojedynczo, z naszych oszacowań zaczynają się robić mnogie setki miliardów planet. W sumie w naszej Galaktyce znajduje się co najmniej 17 mld planet o rozmiarach podobnych do Ziemi.
Liczbę tę ogłosili w 2013 r. naukowcy z Centrum Astrofizycznego Uniwersytetu Harvarda, opierając się przede wszystkim na wynikach obserwacji prowadzonych przy wykorzystaniu kosmicznego teleskopu Kepler. Oczywiście, danych tych nie należy rozumieć w ten sposób, że na każdej z owych kilkunastu miliardów planet istnieją warunki sprzyjające życiu. Sam rozmiar to nie wszystko. Ważne jest również oddalenie od gwiazdy, wokół której planeta krąży (4).
W listopadzie 2013 r. w Ames Research Center w Kalifornii - ośrodku NASA zarządzającym misją Keplera - odbyła się konferencja naukowa, na której podsumowano dorobek badawczy wynikający z pracy teleskopu. Według wypowiadających się tam uczonych, jedna na pięć gwiazd porównywalnych ze Słońcem (czyli żółtych karłów) "powinna" mieć chociaż jedną planetę typu ziemskiego (czyli o porównywalnych rozmiarach, masie i temperaturze). Mogłoby się na niej narodzić i przetrwać życie - takie, jakie znamy z Ziemi.
Trzeba jednak przyznać, że w swojej masie egzoplanety są niezwykle różnorodne. Występują w rozmaitych rozmiarach i kompozycjach. Niektóre z nich kompletnie nie pasują do wszystkiego, co wiedzieliśmy o planetach na podstawie obserwacji Układu Słonecznego. Jedne są czarniejsze od węgla, inne skąpane w morzu lawy, jeszcze inne całe toną w oceanach lub smagają je diamentowe deszcze.
K2 czyli reinkarnacja
Keplera Pierwsze koło reakcyjne teleskopu Keplera przestało działać w lipcu 2012 r. Pozostały jeszcze trzy, które pozwalały orientować sondę w przestrzeni kosmicznej. Wydawało się, że Kepler będzie mógł prowadzić obserwacje dalej, aż do 2016 r. Niestety, drugie koło odmówiło posłuszeństwa w maju 2013 r. Do pozycjonowania obserwatorium próbowano wykorzystać silniki korekcyjne, jednak paliwo szybko się wyczerpało.
W połowie października 2013 r. specjaliści z NASA ogłosili, że Kepler nie będzie dalej poszukiwać planet. A jednak od maja 2014 r. trwa nowa misja zasłużonego łowcy egzoplanet, określana przez NASA jako K2 (5). Stała się możliwa dzięki sięgnięciu po nieco mniej konwencjonalne techniki. Ponieważ przy dwóch sprawnych kołach reakcyjnych teleskop nie mógłby działać (potrzebne są trzy), naukowcy z NASA postanowili wykorzystać ciśnienie promieniowania słonecznego jako "wirtualne koło reakcyjne".
Okazało się, że technika ta z powodzeniem nadaje się do sterowania teleskopem. W ramach misji K2 udało się przeprowadzić już obserwacje kilkudziesięciu tysięcy gwiazd. W grudniu 2014 r. pojawiła się informacja, że w układzie gwiazdy KOI-3158, znajdującej się 117 lat świetlnych od Ziemi, istnieje nie tylko aż pięć tzw. ziemiopodobnych planet, lecz są to zarazem egzoplanety najstarsze ze wszystkich znalezionych.
Odkrycia dokonał zespół astronomów i astrofizyków pod kierownictwem Tiago Campante z Uniwersytetu w Birmingham, który analizuje dane obserwacyjne z K2. Układ gwiazdy KOI-3158, która jest zresztą częścią potrójnego układu gwiezdnego z dwoma karłami typu M, ma mieć według szacunków ponad 11 mld lat. Układ planetarny w konstelacji Lutni nie jest jednak podobny do naszego, gdyż wszystkie pięć planet okrąża tam gwiazdę w odległości bliższej niż Merkury, w czasie krótszym niż dziesięć dni.
K2 przynosi nowe odkrycia nieomal co miesiąc, bo już na początku 2015 r. dowiedzieliśmy się o istnieniu układu planetarnego EPIC 201367065, w którym wykryto trzy małe egzoplanety typu "super-Ziemia". Łącznie w pierwszych miesiącach 2015 r. poinformowano o odkryciu szesnastu egzoplanet, w tym piętnaście pochodziło z K2.
Większość tych obiektów jest stosunkowo mała. Aktualna lista Encyklopedii Planet Pozasłonecznych (marzec 2015 r.) obejmuje 1906 potwierdzonych egzoplanet. Inne listy nieco różnią się wartościami, jednak żadna z nich jeszcze nie przekroczyła 2000 pozasłonecznych planet.
Z Ziemi też można
Coraz częściej do odkrywania egzoplanet służą instrumenty naziemne. Konstruuje się wręcz nowe obserwatoria, których głównym przeznaczeniem ma być odkrywanie i zbieranie danych o planetach krążących wokół innych gwiazd. Po to np. powstała Minerva (Miniature Exoplanet Radial Velocity Array) w Arizonie. Jest to zarazem przykład nowego, niskokosztowego podejścia do poszukiwania planet.
Zamiast wielkich teleskopów za grube miliony w projekcie Minerva wykorzystuje się mniejsze, dostępne na rynku teleskopy. Cztery takie urządzenia, o średnicy 70 cm i długości 2,5 m, wyprodukowane przez firmę PlaneWave kosztują po 200 tys. dol. każdy i są dostępne dla zainteresowanych amatorów, których stać na taki wydatek.
W obserwatorium Minerva światło ze wszystkich czterech trafia do spektrografu, który rozbija je na różne długości fali. Pozwala to zaobserwować drobne zmiany w ruchu gwiazd względem Ziemi.
A to z kolei wskazuje na ciała krążące wokół tych odległych słońc i pozwala na obliczenie ich masy. Minerva pozwala również na pomiary drobnych zmian jasności podczas tranzytów obiektów pomiędzy tarczą gwiazdy a Ziemią. Skupia się na 164 nieodległych punktach w przestrzeni, które zostały wytypowane ze względu na swoją potencjalną "planetodajność."
Pomysł na wykorzystanie stosunkowo małych i niedrogich teleskopów do połowu egzoplanet wykorzystany został już w wielu miejscach świata. Np. sieć teleskopów HATNet (6), stworzona przez Gaspara Bakosa z Uniwersytetu Princeton dekadę temu, wykorzystuje urządzenia o średnicy zaledwie 10 cm i ma na swoim koncie publikacje o 56 wykrytych planetach.
Pokrewna sieć, HATSouth, wykorzystuje 24 teleskopy rozmieszczone na południowej półkuli, w Australii, Namibii i Chile. Stworzenie rozproszonej sieci i skoordynowanie jej pozwala na dokładniejsze obserwacje tranzytów planetarnych. Od początku 2014 r. na szczycie jednej z kalifornijskich gór działa Automated Planet Finder. Namierzył już dwa możliwe systemy planetarne.
Dane, które zbiera, będą podstawą do dalszych obserwacji, za pomocą satelity Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), który ma zostać wystrzelony w przestrzeń kosmiczną w 2017 r. Greg Laughlin z Uniwersytetu Kalifornijskiego z Santa Cruz, który jest zaangażowany w zbieranie danych w tym obserwatorium, powiedział niedawno magazynowi "NewScientist", że nie można już mówić o "polowaniu" na egzoplanety, lecz raczej o ich "zbieraniu".
Wywęszyć ślady życia
Metoda tranzytu o samej planecie mówi niewiele. Można za jej pomocą określić jej rozmiar i odległość od gwiazdy. Technika pomiaru prędkości radialnej może pomóc określić jej masę. Połączenie dwóch metod pozwala obliczyć gęstość. Czy można wejrzeć dokładniej w egzoplanetę? Okazuje się, że tak. NASA umie już przyjrzeć się lepiej takim planetom, jak Kepler-7b, dla którego z wykorzystaniem teleskopów Kepler i Spitzer opracowano mapę chmur w atmo-sferze.
Okazało się, że ta planeta jest zdecydowanie za gorąca dla form życia, jakie znamy. Panuje tam bowiem skwar od 816 do 982°C. Jednak sam fakt tak dokładnego jej opisania to wielki krok naprzód, zważywszy, że mówimy o świecie oddalonym o sto lat świetlnych od nas.
Z pomocą przychodzi także optyka adaptatywna, stosowana w astronomii w celu wyeliminowania zaburzeń powodowanych drganiami atmosfery.
Używanie jej polega na sterowaniu teleskopem przez komputer dla uniknięcia lokalnych odkształceń zwierciadła (rzędu paru mikrometrów), korygując w ten sposób błędy w otrzymywanym obrazie.
Tak działa Gemini Planet Imager (GPI), umiejscowiony w Chile. Po raz pierwszy instrument uruchomiono w listopadzie 2013 r. GPI stosuje detektory podczerwieni i są one na tyle skuteczne, że mogą rejestrować spektrum świetlne tak ciemnych i odległych obiektów, jakimi są egzoplanety.
Dzięki temu uda się dowiedzieć więcej na temat ich składu. Jako jeden z pierwszych celów obserwacyjnych wybrano planetę Beta Pictoris b (7). W tym przypadku GPI działa trochę podobnie do słonecznego koronografu, czyli przesłania tarczę odległej gwiazdy, aby wydobyć jasność znajdującej się w pobliżu planety.
Właśnie za pomocą optyki adaptatywnej Obserwatorium Palomar w kalifornijskim San Diego odkryło planety w poczwórnym układzie gwiezdnym 30 Ari w konstelacja Barana (8), 136 lat świetlnych od Ziemi.
Dla porządku trzeba zaznaczyć, że pierwszą planetę w tak egzotycznym układzie z czterech gwiazd, KIC 4862625, odkryli w 2013 r. astronomowie amatorzy analizujący dane z Keplera.
Świadczy to tylko o tym, że nie chodzi o całkiem rzadkie zjawisko, a systemy poczwórne stanowią jedną piątą znanych gwiazd podobnych do Słońca (9). Kluczem do obserwacji "śladów życia" jest światło pochodzące od gwiazdy, wokół której krąży planeta.
Światło przechodzące przez atmosferę egzoplanety pozostawia specyficzny ślad, który można mierzyć z Ziemi przy pomocy metod spektroskopowych, czyli analizy promieniowania emitowanego, pochłanianego lub rozpraszanego przez obiekt fizyczny. Podobne podejście można zastosować, aby badać powierzchnie egzoplanet. Jednak jest jeden warunek. Powierzchnia planety musi odpowiednio mocno absorbować lub rozpraszać światło.
Dobrymi kandydatami są w tym przypadku parujące planety, czyli takie, których wierzchnie warstwy unoszą się, tworząc dużą chmurę pyłu. Jak się okazuje, potrafimy już również rozpoznawać z dużej odległości takie sprawy, jak zachmurzenie planety. Istnienie gęstego woalu chmur wokół egzoplanet GJ 436b i GJ 1214b zostało wywnioskowane na podstawie analiz spektroskopowych światła macierzystych gwiazd.
Obie planety zaliczane są do kategorii "super-Ziemi". GJ 436b położona jest 36 lat świetlnych od Ziemi w konstelacji Lwa. GJ 1214b znajduje się w konstelacji Wężownika, 40 lat świetlnych od nas. Pierwsza z nich ma rozmiary podobne do Neptuna, ale leży znacznie bliżej swojej gwiazdy niż planeta znana z Układu Słonecznego. Druga jest mniejsza od Neptuna, jednak znacznie większa od Ziemi.
Będzie się działo Europejska
Agencja Kosmiczna (ESA) pracuje obecnie nad satelitą, którego zadaniem ma być dokładne charakteryzowanie i poznawanie budowy znanych już egzoplanet (CHEOPS). Start tej misji zapowiadany jest na 2017 r. NASA z kolei chce w przestrzeń wysłać w tym samym roku wspomnianego już satelitę TESS, który będzie nastawiony na poszukiwanie przede wszystkim planet typu ziemskiego, wokół ok. 500 tys. najbliższych nam gwiazd.
Plan zakłada wykrycie co najmniej trzystu planet typu "druga Ziemia". Obie wspomniane misje bazują na metodzie tranzytu. W lutym 2014 r. Europejska Agencja Kosmiczna zatwierdziła misję PLATO.
Według aktualnego planu wystartować ma w 2024 r. i szukać skalistych planet z zawartością wody. Te obserwacje pozwolić mogą - na podobnej zasadzie jak wykorzystano do tego dane z Keplera - na szukanie również egzoksiężyców.
Czułość PLATO będzie porównywalna do teleskopu Keplera. Europejska ESA rozwijała przed laty program Darwin. NASA miała podobny "przeszukiwacz planet" - TPF (Terrestrial Planet Finder).
Celem obu projektów było badanie planet o rozmiarach podobnych do ziemskich, pod kątem obecności w atmosferze gazów sygnalizujących warunki przyjazne życiu. Oba polegały na śmiałych wizjach tworzenia sieci kosmicznych teleskopów współpracujących w poszukiwaniach ziemiopodobnych egzoplanet.
Jednak dekadę temu technologie te nie były wystarczająco rozwinięte i programy zostały zamknięte. Na szczęście nie wszystko poszło w niwecz. Bogatsze o doświadczenia NASA i ESA pracują obecnie razem nad teleskopem Webba (James Webb Space Telescope), który ma się znaleźć w przestrzeni kosmicznej w 2018 r. (10). Dzięki jego wielkiemu, 6,5-metrowemu zwierciadłu możliwe będzie badanie atmosfer dużych planet.
Pozwoli to astronomom wykrywać ślady chemiczne tlenu i metanu. Dostaniemy już konkretne informacje o atmosferach egzoplanet - kolejny etap uszczegółowiania wiedzy o tych odległych światach. W NASA pracują różne zespoły nad kolejnymi alternatywami badawczymi w tej dziedzinie. Jednym z takich mniej znanych i będących na wczesnym jeszcze etapie projektów jest Starshade.
Chodzi w nim o zacienienie światła gwiazdy czymś na kształt parasola, na którego obrzeżach można byłoby obserwować planety. Przez analizę długości fal dałoby się określać składniki ich atmosfery. NASA oceni projekt w tym lub w przyszłym roku i zdecyduje, czy podejmie się realizacji tej misji. Jeśli misja Starshade ruszy, to stanie się to w roku 2022.
Egzoksiężyce czekają na swoją chwilę Oprócz egzoplanet astronomowie poszukują również egzoksiężyców - takich, które mają nawet większe szanse na występowanie życia niż planety, wokół których krążą. Tradycyjnie zainteresowanie astronomów budzą strefy życia (ekosfery) w układach gwiezdnych. Egzoksiężyce jednak komplikują ten prosty obraz. Promieniowanie słoneczne to nie jedyny sposób na utrzymanie ciepła.
Macierzysta planeta może dać księżycowi nieco dodatkowej energii przez grawitacyjne ściskanie i rozciąganie, czyli proces zwany ogrzewaniem pływowym. Dzięki temu księżyc poza strefą życia może utrzymać tyle ciepła, ile potrzeba do utrzymania wody w stanie ciekłym. Zjawisko to co najmniej podwaja rozmiary strefy życia. Księżyc Europa np. doświadcza silnego pola grawitacyjnego Jowisza.
To utrzymuje oceany podlodowe w stanie płynnym. Jedna z metod wykrywania egzoplanet - mikrosoczewkowanie - bazuje na zjawisku zakrzywienia światła przez grawitację przy przejściu obiektu pomiędzy nami a daleką gwiazdą. Jego grawitacja skupia światło jak soczewka, a jasność gwiazdy okresowo wzrasta. Podczas niedawnych obserwacji za pomocą teleskopu MOA-II w Nowej Zelandii astronomowie zauważyli gwałtowny wzrost jasności gwiazdy, a godzinę później kolejny wzrost, słabszy.
Przed tarczą gwiezdną przelecieć musiał więc duży obiekt z towarzyszącym mu mniejszym. Zmierzony stosunek mas obu obiektów wyniósł ok. 2000:1. Zdaniem niektórych astronomów, towarzyszący planecie księżyc może zaznaczać swoją obecność, wprawiając planetę w lekkie kołysanie. W praktyce oznacza to, że tranzyt planety może być opóźniony lub przyspieszony w stosunku do oczekiwań.
Być może zaobserwować da się również dodatkowe zmniejszenie jasności gwiazdy przez sam księżyc? W ramach programu polowania na egzoksiężyce z Keplerem (Hunt for Exomoons with Kepler - HEK), zespół uczonych wybrał 250 egzoplanet do badania pod kątem obecności przy nich satelitów. Praca polega na powolnym i żmudnym zanalizowaniu każdej planety po kolei, z wykorzystaniem komputerowych programów, które mogłyby wykryć odchylenia i dodatkowe zmiany jasności.
Naukowcy w ciągu dwóch lat przeanalizowali siedemnaście planet. Polowanie na pierwszy potwierdzony egzoksiężyc może więc trochę potrwać. Jednak gdy w końcu uda się dopracować odpowiednią metodę, ich liczba może szybko pobić liczebność planet. W końcu w naszym Układzie Słonecznym mamy tylko osiem planet, a księżyców aż 145 (i dodatkowo 28 oczekujących na potwierdzenie). Jak łatwo zauważyć, mnoży to liczbę światów z setek miliardów przez kolejne setki.
