Planety powstają wszędzie i są bardzo powszechne

Z pomocą amerykańskiego satelity TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) i europejskiego satelity Cheops (CHaracterising ExOPlanet Satellite) naukowcy odkryli i opisali niedawno wyjątkowy układ planetarny HD110067, oddalony o 100 lat świetlnych od Słońca, położony w Warkoczu Bereniki. Tworzące go sześć planet znajduje się w tzw. rezonansie - i choćby dlatego jest to układ szczególnie ciekawy dla badaczy.

"Rezonans to w zasadzie prosta sprawa. W tym konkretnym przypadku sześciu planet wokół HD110067, które oznaczamy literami od b do g, jeżeli najbliższa gwiazdy planeta, którą oznaczamy jako b, wykonuje trzy okrążenia - to następna w kolejności, którą oznaczamy jako c, wykonuje dwa. Mówimy wówczas, że planety b i c są w rezonansie 3:2. Taki sam rezonans występuje pomiędzy planetami c i d oraz d i e. Rezonans 4:3 istnieje pomiędzy planetami e i f oraz f i g. Dodatkowo pomiędzy planetami b i g, czyli pierwszą i ostatnią od gwiazdy, występuje rezonans 1:6 – planeta b potrzebuje bowiem na okrążenie gwiazdy jedynie 9 dni, a planeta g – 54 dni. Jako astronomowie spodziewamy się, że systemy planetarne powstają właśnie w takiej rezonansowej konfiguracji. Jeśli więc ją widzimy - oznacza to, że obserwujemy układ, który od miliardów lat zachował się w niezaburzonej postaci - w takiej, w jakiej się narodził" – wyjaśnia dr Nowak z Instytutu Astronomii na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu.

"Interesująca i ważna jest też sama fizyka tych planet. Z pomiarów promieni i mas wiemy, że są to tzw. minineptuny. Pod względem wielkości (promieni) mieszczą się między cztery razy większym od Ziemi Neptunem - a planetami, których rozmiary są dwukrotnie większe od Ziemi. Z oceny gęstości tych planet wynika, że budową wewnętrzną przypominają raczej Neptuna. Spodziewamy się, że ich jądra są otoczone warstwą gazów, w których dominuje wodór. Przyszłe badania, prowadzone np. z pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), mogą pozwolić na poznanie składu ich atmosfer i dzięki temu lepsze zrozumienie procesu ich powstawania oraz budowy wewnętrznej" – podkreśla astronom, który zajmuje się badaniami egzoplanet, w tym pomiarami ich mas oraz badaniem ich atmosfer. Brał też udział w badaniach wspomnianych sześciu planet z rezonansem.

"Wspomniany układ planet jest jednym z systemów odkrytych w misji TESS Amerykańskiej Agencji Kosmicznej NASA, w której wykrywane są tzw. tranzyty, czyli przejścia planet na tle tarcz ich macierzystych gwiazd. Po takiej detekcji konieczna jest jednak powtórna obserwacja tzw. krzywej tranzytu za pomocą instrumentów naziemnych oraz jej szczegółowa analiza. Pozwala to stwierdzić, czy rzeczywiście mamy do czynienia z planetą, czy z innym zjawiskiem. Ostatnim krokiem naziemnych obserwacji jest wykorzystanie precyzyjnych spektrografów, które pozwalają rozłożyć światło gwiazdy, wokół której krążą planety na poszczególne kolory i dzięki temu zmierzyć jej tzw. prędkość radialną i stąd wyznaczyć masy krążących wokół niej planet. Od 2014 prowadziliśmy badania tego typu w Kanaryjskim Instytucie Astrofizycznym (Instituto de Astrofísica de Canarias - IAC), początkowo badając planety odkrywane w ramach misji NASA Kepler, a później właśnie w ramach misji TESS. Rafael Luque, obecnie pracujący na University of Chicago, którego byłem współpromotorem, zaproponował zbadanie właśnie układu HD110067. W 2020 roku wykonaliśmy pierwsze pomiary prędkości radialnej tej gwiazdy" – opowiada naukowiec.

Pojawiły się jednak przeszkody. "Nasze badania na początku, zamiast udzielić odpowiedzi, tylko skomplikowały cały obraz. Niemniej podjęliśmy decyzję o dalszych pracach i kolejne, rozstrzygające informacje udało się uzyskać dzięki satelicie Cheops" – podkreśla astronom.

Wspomniany satelita to kosmiczne obserwatorium o szczególnych możliwościach.

"Jest to niewielki, europejski satelita, którego misja jest kontynuacją programu COROT (Convection Rotation and Planetary Transits). Jednak w przeciwieństwie do COROT czy Keplera, Cheops nie skupia się na długotrwałych przeglądach poszczególnych fragmentów nieba, ale monitoruje wybrane gwiazdy w celu dokładniejszego badania tranzytów odkrytych już planet, a także poszukiwania tranzytów od potencjalnych, dodatkowych planet w tych układach. Cheops był w stanie wykryć tranzyty tam, gdzie się ich spodziewaliśmy - i wskazać, który z przewidywanych przez nas scenariuszy dla tego układu jest prawdziwy" – podsumowuje dr Nowak.

Znanych jest już ponad 5 tys. potwierdzonych planet pozasłonecznych, jednak trudno mówić o rutynie w ich badaniach.

"Myślę, że astronomów zaskakuje zarówno różnorodność planet jak i odmienność większości układów planetarnych od naszego Układu Słonecznego. Jednocześnie może dziwić ich powszechność. Przeciętnie - według tego, co już odkryliśmy - na jedną gwiazdę przypada jedna planeta. Więc można w uproszczeniu powiedzieć, że planety powstają wszędzie, gdzie to tylko możliwe" – mówi ekspert.

Jak zauważył, badania egzoplanet dopiero się rozwijają.

"Myślę, że obecnie astronomia pozasłonecznych planet przeżywa podobny etap, jakiego kilkadziesiąt lat temu doświadczała astronomia gwiazdowa. Próbowano wówczas zrozumieć, w jaki sposób gwiazdy powstają i ewoluują. Szczególnie interesowały wtedy astronomów układy podwójne, które najłatwiej pozwalały określić m.in. masy i promienie gwiazd. Teraz, w przypadku planet, wspomnianą metodą - prowadzonych teleskopami kosmicznymi i naziemnymi obserwacji tranzytów - możemy nowe planety wykryć, a także, znając promienie gwiazd, wyznaczyć promienie planet. Za pomocą teleskopów naziemnych wyposażonych w precyzyjne spektrografy możemy natomiast zmierzyć prędkość radialną gwiazdy, wokół której krążą planety - czyli stwierdzić jak bardzo planety oddziałują grawitacyjnie na swoją gwiazdę macierzystą, co z kolei pozwala nam wyznaczyć ich masy. Znając masę i promień planety, możemy łatwo obliczyć jej średnią gęstość, a to wiele nam może powiedzieć o jej budowie – czy mamy do czynienia z planetą skalistą, taką jak Wenus, Ziemia czy Mars, czy może z gazowym olbrzymem takim jak Jowisz lub Saturn, albo lodowym olbrzymem podobnym do Neptuna i Urana" – wyjaśnia badacz.

Co więcej, można też ocenić przeszłość planety.

„To, czy planety znajdują się blisko gwiazdy i mają krótkie okresy orbitalne, czy też gdy jest przeciwnie - może wiele powiedzieć o ich powstaniu. Na przykład otoczka gazowa planety może powstawać tylko w większej odległości od gwiazdy, za tzw. linią śniegu, ponieważ lotny materiał jest w bliskiej odległości rozwiewany przez wiatr gwiazdowy. Jeśli więc duża planeta z gazową otoczką znajduje się blisko gwiazdy, oznacza to, że przywędrowała na to miejsce z większej odległości. Astronomom udało się więc już dużo zrozumieć, ale też szuka się teraz takich układów jak HD110067, które zachowały swój pierwotny kształt" – tłumaczy dr Nowak.

W zakresie poznawania nieba wiele się zmieniło od wystrzelenia Teleskopu Jamesa Webba.

"Działający w kosmosie JWST ma lustro o średnicy 6 m. Spodziewamy się, że w przypadku planet o wielkości Ziemi będziemy w stanie badać atmosfery tylko globów, które krążą wokół najmniejszych gwiazd - dużo mniejszych od Słońca, np. w systemie TRAPPIST-1, w którym, wokół czerwonego karła krąży 7 planet skalistych. Gwiazda tego układu jest tylko trochę większa od Jowisza (chociaż ponad 90-krotnie od niego bardziej masywna). JWST najlepiej nadaje się jednak do badania większych planet, przynajmniej 2-3 razy większych od Ziemi. Taki był też jeden z celów misji TESS – aby wykryć subneptunowe planety, które będzie można badać z pomocą Webba. W badanym przez nas systemie mamy 6 planet, które idealnie się do tego nadają" – zwraca uwagę specjalista.

Astronomowie czekają też na nowe instrumenty.

„Jeszcze większą moc będą miały nowe obserwatoria naziemne. Teleskopy, takie jak Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT) z lustrem o średnicy 39 metrów, pozwolą nawet na badanie atmosfer planet wielkości Ziemi okrążających najbliższe gwiazdy podobne do Słońca. Będzie można także wykrywać i badać atmosfery planet, które nie podlegają tranzytom – tzn. nie leżą na naszej linii widzenia i nie przechodzą przed tarczą gwiazdy. Z pomocą tych instrumentów będzie, bowiem możliwe oddzielenie obrazu gwiazdy od obrazu planet” – podkreśla astronom.

Być może nawet uda się znaleźć ślady życia.

„Potrzebne jest jednoczesne wykrycie tlenu, dwutlenku węgla i metanu, które mocno przemawia za działaniem organizmów żywych, a nie tylko procesów geologicznych, które też mogą emitować te gazy. Znalezienie takiej kombinacji związków chemicznych może stanowić silny argument za istnieniem biosfery na danej planecie" – wyjaśnia dr Nowak.