Co to jest samotna planeta? Jak je znaleźć? Czy jest ich więcej niż gwiazd we Wszechświecie?

Gdyby założyć, że każda gwiazda ma swój układ planetarny, choćby z jedną planetą, a czasem z dwiema i więcej, to trzeba byłoby od razu stwierdzić, że planet jest więcej niż gwiazd. Jednak astronomowie nie śpieszą się z takim wnioskiem. Planety w ciągu ostatnich trzech dekad astronomicznych obserwacji stały się obiektami traktowanymi jako powszechne w Kosmosie, choć nie są obserwowane tak dokładnie jak obiekty w Układzie Słonecznym. Mimo to nie wszystkie gwiazdy z definicji muszą mieć swoje układy planetarne.

Wyobraźmy sobie na przykład gwiazdy, które powstają w gęstych układach. Wydaje się, że szansa na stworzenie stabilnego układu planetarnego w takim miejscu jest niewielka. Poza tym w gromadach kulistych gwiazd, które są jednymi z najstarszych obiektów we Wszechświecie, jest mało składników, z których mogłyby powstać planety. A gwiazd jest tam zatrzęsienie.

Astronomia nie zna jednak rzeczy niemożliwych i w końcu obiekty planetarne udało się odkryć nie tylko w gęstych gromadach gwiazdowych, ale też innych egzotycznych z naszej perspektywy miejscach. Wystarczy przypomnieć, że pierwszy pozasłoneczny układ planetarny, odkryty przez A. Wolszczana, to były planety wokół pulsara (szybko rotującej gwiazdy neutronowej).

Wizualizacja systemu planetarneego wokół gwiazdy neutronowej

Planety mogą powstawać zarówno wokół bardzo masywnych gwiazd, które w kosmicznej skali w mgnieniu oka przestają istnieć, nie dając szans na rozwinięcie się tam jakiekolwiek życia. A już na pewno inteligentnego. Mogą też powstawać w rozmiarach, których byśmy się nie spodziewali - mowa tu o bardzo masywnych gazowych gigantach, które obiegają mało masywne słońca. Jeszcze mniejsze niż nasze.

Planetarna rewolucja - znamy ponad 4000 planet, ale znakomita większość z nich ma swoje słońce

Planety masowo odkrywamy od połowy lat 90. XX wieku. Jednak dopiero misja teleskopu Kepler pomogła nam przekonać się, że nie tylko masywne jowiszowe obiekty, ale też planety o rozmiarach Neptuna i mniejsze zbliżone rozmiarami do Ziemi, są zjawiskiem powszechnym. Obecnie kosmiczną misję poszukiwania planet wokół gwiazd za pomocą techniki tranzytu (planeta przemieszczająca się przed tarczą gwiazdy powoduje minimalny, ale mierzalny spadek jej jasności) kontynuuje teleskop TESS.

Teleskop TESS jest niepozorny - mimo to zakończona niedawno podstawowa faza misji zaowocowała 66 nowymi planetami i ponad 2 tysiącami kandydatek, które mogą w przyszłości zostać również zaklasyfikowane jako planety

Gwiazd w galaktykach są miliardy, podobnie jak galaktyk we Wszechświecie. Planet może być jeszcze więcej, a główną rolę odgrywać mają planety samotne. Kosmiczni nomadzi pozbawieni własnych słońc. Zanurzeni w zimnej pustce Wszechświata.

Samotne planety, czyli te, które nie mają swoich słońc

Mówiąc planeta zwykle wyobrażamy sobie obiekt, który obiega swoje macierzyste słońce. W końcu tak zbudowany jest Układ Słoneczny. I w takich podobnych miejscach, jak by nie były one niezwykłe (np. podwójne układy gwiazdowe, ciasne układy, gdzie kilka planet obiega swoją gwiazdę bliżej niż Merkury Słońce), są odkrywane planety pozasłoneczne. Są jednak planety, których nie powiążemy z żadną gwiazdą. To tak zwane samotne planety, przemierzające swobodnie przestrzeń międzygwiezdną. Tych planet, według profesora Scotta Gaudiego z uniwersytetu w Ohio, może być znacznie więcej niż gwiazd i obiegających ich planet.

Samotna planeta nie jest związana grawitacyjnie z żadną gwiazdą. Przemierzają one swobodnie przestrzeń międzygwiezdną, a być może nawet międzygalaktyczną.

Skąd się one biorą? Do końca nie wiemy, choć astronomowie nie negują faktu ich istnienia. Zakłada się, że taka planeta wyłoniła się z dysku materii wokół powstającej jednocześnie gwiazdy, ale potem zakłócenia grawitacyjne, albo zderzenia z innymi obiektami, wyrzuciły je poza obręb wpływu grawitacji macierzystego słońca. Możliwe jest też, że powstanie planety nie wiązało się z utworzeniem gwiazdy. Powstała sama planeta, ewentualnie planeta z układem księżyców.

Samotna planeta jest trudna do wykrycia. Nie ma bowiem żadnego sąsiadującego z nią gwiazdowego obiektu, którego położenie lub jasność mogłaby być zakłócona obecnością planety. Szans na bezpośrednie wizualne obserwacje też nie ma, bo nawet jeśli taka planeta jest wewnętrznie rozgrzana i emituje promieniowanie podczerwone, to wciąż będzie bardzo słabo świecącym obiektem.

Samotne planety nie świecą tak jak gwiazdy, nie odbijają też światła pobliskich słońc, bo nie mają takich w pobliżu. Są tak ciemne, że nawet najpotężniejszy teleskop nie dostrzeże ich techniką bezpośrednich obserwacji.

Mikrosoczewkowanie - obecnie jedyny sposób, który pozwala wykryć swobodne planety z daleka

Jest jednak technika, którą znamy od lat, a w której rozwoju duże zasługi mają polscy astronomowie. To mikrosoczewkowanie grawitacyjne. Nazwa dokładnie oddaje sens zjawiska. Grawitacja poszukiwanego obiektu działa niczym szklana soczewka, koncentrując światło. To z kolei pochodzi od gwiazdy, która znajduje się daleko za mikrosoczewką. Zwykle dwa razy dalej, ale nie jest to regułą.

Wizualizacja jednej z planet, które odkryto podczas obserwacji OGLE

By taki niewidoczny normalnie obiekt, mógł zadziałać jako soczewka, musi znaleźć się blisko toru światła dobiegającego do obserwatora od gwiazdy. Im większa jego masa, tym łatwiejsze wykrycie zjawiska, ale przy idealnym zgraniu torów światła wystarczy nawet tak mało masywny obiekt jak planeta.

Z pomocą przychodzi tu nam obfitość gwiazd w Galaktyce i spodziewana też wielość samotnych planet. Obserwując często dużą liczbę gwiazd, szansa na wykrycie krótkich (rzędu dnia) zjawisk mikrosoczewkowania spowodowanych przez planety, a nawet całe układy planetarne (wtedy krzywa zmiany blasku gwiazdy jest jeszcze ciekawsza, nie jest tylko chwilowym pojaśnieniem) rośnie.

Tak postępują między innymi astronomowie z Warszawskiego Obserwatorium w ramach projektu OGLE. Mają już na koncie liczne planety wykryte z pomocą mikrosoczewkowania. Są to najdalsze znane nam planety w Galaktyce. Wśród nich są potencjalne planety samotne.

Wciąż nie ma pewności, jak znaczną cześć materii w Kosmosie stanowią samotne planety. Dlatego dokładne szacunki bazujące na jak największej próbce przeanalizowanych gwiazd, których światło mogą soczewkować takie planety, są tak bardzo wyczekiwane przez astronomów.

Analiza obserwacji OGLE pokazała, że nie powinniśmy tryskać zbytnim entuzjazmem co do liczby samotnych planet. Okazało się jednak też, że słabe zjawiska mogą umykać wykryciu przy ostrych kryteriach detekcji.

Precyzja dotychczasowych obserwacji jest ograniczona

Naziemne projekty związane z monitorowaniem rozległych połaci nieba i milionów gwiazd, mogą mieć zbyt małą skalę, czułość i rozdzielczość czasową obserwacji (częstość obserwacji danego obiektu), by uzyskać statystyki prawidłowo opisujące liczbę samotnych planet w Galaktyce.

Samson Johnson z uniwersytetu w Ohio sugeruje, że potrzeba 10 razy większej czułości niż ta, którą obecnie dysponują projekty związane z mikrosoczewkowaniem, by takie obiekty wykryć. Ma ją zapewnić teleskop kosmiczny Nancy Grace Roman, który będzie obserwował niebo w podczerwieni.

Wizualizacja teleskopu Nancy Grace Roman

Teleskop Nancy Grace Roman - prawie jak Hubble, ale wygeneruje kilkaset razy więcej danych

Teleskop kosmiczny Nancy Grace Roman to jeszcze coś innego niż teleskop Jamesa Webba. Wyposażono go w 2,4 metrowej średnicy zwierciadło podobnie jak w teleskopie Hubble. Teleskop Jamesa Webba (JWST) ma z kolei mozaikową konstrukcję o średnicy około 6,5 metra. Jest poza tym dedykowany do obserwacji w jeszcze dalszej podczerwieni niż teleskop Nancy Grace Roman. Za to ten ostatni będzie mógł objąć swoim polem widzenia znacznie większy wycinek nieba (porównywalny z rozmiarem Księżyca).

Teleskop Nancy Grace Roman na jednym zdjęciu zarejestruje 100 razy większy obszar nieba niż słynny Hubble zachowując tę samą rozdzielczość kątową.

Teleskop ma być wyposażony w 18 kwadratowych sensorów o rozdzielczości 16 Mpix każdy – łącznie to około 300 Mpix. Całość bardzo przypomina konstrukcją Hubble, ale jedna ekspozycji pozwoli uzyskać dane dla 100 razy większej połaci nieba. Jest to jeden z dwóch teleskopów, które niespodziewanie otrzymała NASA kilka lat temu, a które początkowo miały być wykorzystane do działań wywiadowczych.

Liczba danych przesłana dziennie z teleskopu Nancy Grace Roman będzie ponad 500 razy większa niż w przypadku Hubble'a

Nowy teleskop to przemianowany WFIRST

Nowy teleskop kosmiczny niezależnie od tego jak wiele samotnych planet wykryje, pomoże w ocenie poprawności modeli przewidujących powstawanie i dystrybucję w przestrzeni takich obiektów. Nic nie można zakładać na wyrost. Słuszne mogą okazać się zarówno ostrożne jak i entuzjastyczne teorie. Po to właśnie dążymy do coraz dokładniejszych obserwacji.

Nie powinno się wykluczać teorii tylko dlatego, że obserwacje jej nie potwierdzają. Można tak byłoby powiedzieć tylko wtedy, gdybyśmy mieli pewność, że zwiększenie precyzji obserwacji nie wpłynie na uzyskiwane wyniki. Dlatego wciąż przesuwamy granice naszej pewności, ale też ciągle pozostawiamy sobie margines błędu.

Teleskop Nancy Grace Roman to projekt, który liczy sobie już 10 lat. Wcześniej znaliście go pod nazwą WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope). Jego nazwa została niedawno zmieniona, by uhonorować zasługi zmarłej dwa lata temu Nancy Grace Roman.

To astronomka, która przyczyniła się do sukcesu kosmicznego teleskopu Hubble i stosowanych w nim technik obserwacyjnych. Już w roku 1959 sugerowała, że można takim teleskopem poszukiwać planet wykorzystując koronograf (narzędzie blokujące światło pobliskiej gwiazdy). Tego typu instrument będzie jednym z dwóch, oprócz szerokokątnej kamery, które znajdą się na pokładzie teleskopu.

Poszukiwanie samotnych planet, to nie wszystko - początek obserwacji za kilka lat

Oprócz poszukiwania samotnych planet, co będzie realizowane jako część projektu obserwacji setek milionów gwiazd w kierunku centrum Galaktyki, teleskop Nancy Grace Roman zajmie się też obserwacjami galaktycznego halo, czyli sferycznego otoczenia dysku galaktycznego, a także badaniem populacji gwiazdowych w pobliskich galaktykach. Te dane przydadzą się do rozważań nad wciąż nie rozwiązanym problemem Ciemnej Energii.

Obecnie plan przewiduje umieszczenie teleskopu w Kosmosie w tak zwanym punkcie L2 dla układu Słońce-Ziemia, który znajduje się około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi. Umieszczony w tym miejscu teleskop zachowa stałe położenie względem Ziemi, wciąż będąc po przeciwnej stronie Ziemi co Słońce. Rozpoczęcie obserwacji przewidywane jest na połowę lat 20. Ten termin trzeba mimo wszystko traktować jako przypuszczalny, bo historia innych teleskopów, w tym samego Hubble’a, a teraz JWST pokazuje, że w astronomii droga do odkryć zawsze jest wyboista.

Źródło: NASA, arxiv, inf. własna

Czytaj więcej ciekawostek na tematy astronomiczne:

• Zmierzyć odległość Ziemia-Księżyc z pomocą lasera jest trudniej niż myślicie
• Zobaczyć to uwierzyć - pierwsze zdjęcie pozasłonecznego układu z dwiema planetami
• Mars 2020 bez tajemnic - ciekawe fakty - misja pomyślnie rozpoczęta