Planety pozasłoneczne

Nasz Układ Słoneczny, choć z pozoru może wydawać się dobrze poznany, wciąż zawiera mnóstwo niespodzianek. Dzięki swojej tajemniczości stanowi idealne tło dla powieści sci-fi. Podróże międzyplanetrne (chociażby Odyseja kosmiczna), zasiedlanie innych planet (niezliczone opowiadania np. o bazach marsjańskich) czy ochrona własnej przed inwazją kosmitów (np. Problem trzech ciał) i wiele więcej. Oczywiście, nasz układ planetarny nie jest jedyny! Wszechświat pełny jest wielu innych systemów potencjalnie nadających się do osiedlenia lub utrzymania jakieś formy życia. Ambitniejsi autorzy (albo ci bardziej leniwi, zależy jak na to spojrzeć 😉) kreują na potrzeby swojej powieści CAŁY Wszechświat. Jedni przestrzegają w nim znane prawa fizyki, inni tworzą własne. Niezależnie jednak od wyboru, historie często są wciągające, a mało który czytelnik zwraca uwagę na „szczegóły” takie jak naukowe tło akcji – używane pojazdy, podróże nadświetlne, układy planetarne, .... Poniekąd dzieje się tak, ponieważ akcja rozgrywa się „gdzieś w dalekim Wszechświecie”, co daje przyzwolenie na wszystkie wymysły autora. Co jednak aktualnie wiadomo o planetach pozasłonecznych?

„Od Autora” w 2061: Odyseja kosmiczna Arthura C. Clarke’a, Wydawnictwo Amber.

Odyseja kosmiczna zawiera wiele ciekawych, naukowych elementów, jednak, jak by nie było, jest przede wszystkim powieścią fantastyczną ;).

Egzoplaneta to nic innego jak planeta znajdująca się poza naszym układem Słonecznym. Choć nawet Newton rozważał istnienie podobnych układów planetarnych krążących wokół innych gwiazd, ich detekcja stała się możliwa dopiero pod koniec XX w. Głównie związane było to z możliwościami technologicznymi. Na początku lat 90-tych zarejestrowano pierwszą egzoplanetę!

Współcześnie, dokładność teleskopów (mających dużą czułość i rozdzielczość) pozwala na mierzenie różnego typu anomalii planetarnych, przez co wiadomo, że nasz wszechświat przepełniony jest różnymi systemami planetarnymi. Dziś korzysta się z aż pięciu metod, dzięki którym z roku na rok odkrywane się nowe planety. Obecnie potwierdzonych jest istnienie aż kilu tysięcy egzoplanet, a drugie tyle oczekuje na formalną weryfikacje.

Metoda tranzytów jest techniką, dzięki której dotychczas udało się odkryć najwięcej dalekich planet. Obserwując światło gwiazdy można niekiedy zaobserwować chwilowe spadki w jej jasności. Mogą one być powiązane z planetą okrążającą daną gwiazdę. Niewielkie ciało przechodzące przez tarczę swojej macierzystej gwiazdy blokuje na jakiś czas światło z tego obszaru. Poprzez dokładne zbadanie krzywej blasku (zależności jasności od czasu) danej gwiazdy, można powiedzieć coś o parametrach planety ją okrążającej – rozmiarze, orbicie, a nawet atmosferze i temperaturze. Z początku, pomiarów dokonywano głównie przy użyciu teleskopu Keplera, który działał od 2009 roku, teraz natomiast korzysta się z teleskopu TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite).

Kolejną metodą jest metoda prędkości radialnych. Jest to druga w kolejności technika, dzięki której wykryto największą liczbę planet. Wykorzystuje ona fakt, że układy podwójne okrążają wspólny środek masy. Gdy jednak jedno ciało niebieskie jest znacząco mniejsze od drugiego, często ruch masywniejszego obiektu jest zaniedbywany – np. w układzie Ziemia – Księżyc, czy gwiazda - planeta. Z tego powodu potoczne określenie – planeta okrążająca gwiazdę, nie jest bardzo ścisłe. W rzeczywistości, zarówno planeta, jak i gwiazda okrążają barycentrum układu. Tak, grawitacja planety powoduje nieznaczne ruchy gwiazdy macierzystej! Raz gwiazda się od nas (obserwatora) oddala, a raz przybliża. Przez to, docierające do nas fale światła raz są rozciągane, a raz ściskane, w zależności od ruchu obiektu, który je wytwarza. Gdy fale światła widzialnego się rozciągają, obiekt wydaje się bardziej czerwony. Natomiast, gdy są ściskane, obiekt wydaje się bardziej niebieski. Analizując te przesunięcia można, nie tylko stwierdzić istnienie odległej planety, ale również wyznaczyć jej prędkość i rotację. Dodatkowo, w odróżnieniu od metody tranzytów, danej gwiazdy nie trzeba stale monitorować – wystarczą jednorazowe obserwacje do zebrania potrzebnych danych.

Również technikami astrometrycznymi można wykryć odchylenia od spodziewanych położeń gwiazd. Wymaga to jednak niezwykle precyzyjnej optyki. Dodatkowo, poprzez małe odchylenia położeń gwiazdy jest to szczególnie trudna do przeprowadzenia z powierzchni Ziemi technika. Głównie przez wpływ atmosfery na przechodzące przez nie światło.

Zdjęcia poglądowe (co prawda przedstawiają planety naszego Układu Słonecznego — Jowisza i Saturna, ale lepszych niestety nie mam 😉).

Z podobnym problemem zmaga się technika polegająca na obrazowaniu bezpośrednim. Polega ona na wykonywaniu zdjęć – osłabiając światło docierające od gwiazdy macierzystej, można zarejestrować słabe światło pochodzące od planet ją okrążających. W ten sposób Galileusz odkrył cztery słynne księżyce Jowisza. Jest jednak trudna do realizacji podczas badania obszarów spoza naszego układu słonecznego. Za jej pomocą wykryto już ponad 4 tys. planet pozasłonecznych, jednak jej użyteczność jest ograniczona poprzez brak odpowiednio czułych instrumentów pomiarowych.

Kolejną, piątą już metodą wykrywania egzoplanet, jest mikrosoczewkowanie grawitacyjne. W odróżnieniu od poprzednich metod, pozwala ona na wykrywanie mało masywnych planet o dużych orbitach. Dodatkowo, umożliwia ona detekcje tzw. planet swobodnych, czyli niezwiązanych z żadnym układem, czy gwiazdą. Technika ta wykorzystuje zjawisko ugięcia światła przez obiekty posiadające masę (wynikające z ogólnej teorii względności Einsteina). Grawitacja tzw. soczewki (np. układ gwiazda - planeta) skupia światło innej, bardziej odległej gwiazdy w taki sposób, że wydaje się ona chwilowo jaśniejsza. Badając powstałą w ten sposób krzywą zmian blasku – krzywą Paczyńskiego, można wyznaczyć parametry układu soczewkującego, gdzie konkretny typ perturbacji w jej przebiegu powiązany jest z występowaniem planety w danym układzie.  Na powższym wykresie przedstawiona jest przykładowa krzywa z widocznym odchyleniem związanym z występowaniem planety.

Mapa przedstawiająca część z odkrytych egzoplanet za pomocą różnych metod.

Poszukiwanie odległych planet jest bardzo interesujące. Badanie systemów egzoplanetarnych z jednej strony dowodzi, że nasza planeta wcale nie jest tak wyjątkowa jak by się mogło wydawać – istnieją tysiące innych planet, z drugiej strony ukazuje, że nasz układ planetarny jest unikalny – nie znaleziono układu, który byłby podobny do naszego. Daje to szerokie pole do twórczego rozwoju i tworzenia własnych koncepcji tłumaczących rzeczywstość. Jak mogłoby się rozwinąć życie w innych warunkach? Jak funkcjonowałoby cywilizacje na wulkanicznej planecie? Jak ludzkość poradziłaby sobie na super-ziemi? Czym są swobodne planety i kto na nich mieszka? Jest to tym bardziej piękne, że wszystkie pomysły oparte na współczesnym rozumieniu fizyki są równie prawdopodobne, a w przyszłości mogą okazać się prawdziwe.

Bibliografia

1. European Space Agency. "What Are Exoplanets?" ESA. Accessed 16 Nov. 2024, https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Exoplanets/What_are_exoplanets.

2. NASA. "Ways to Find a Planet." Exoplanet Exploration. Accessed 16 Nov. 2024, https://exoplanets.nasa.gov/alien-worlds/ways-to-find-a-planet/?intent=021.