Wydawało się, że to poszukiwanie igły w stogu siana. A jednak odkryto 70 samotnych planet

Planeta jeszcze na początku lat 90. XX wieku była ciałem niebieskim, którego istnienie ograniczało się do Układu Słonecznego. Obce układy planetarne istniały jedynie w literaturze i kinematografii s-f czy też fantasy, a także w wyobraźni naukowców. W przypadku tych ostatnich często bywa tak, że wyobraźnia znajduje w końcu swoje odzwierciedlenie w rzeczywistości. Nawet jeśli znacząco odbiegające od oczekiwań.

I tak twórcy teorii dotyczących powstawania układów planetarnych doznali szoku, gdy odkryto pierwsze planety pozasłoneczne. Kompletnie nie pasowały one do schematu jaki ukuto na bazie naszego planetarnego sąsiedztwa. I nie chodzi tu tylko o planety wokół gwiazdy neutronowej, ale też planety wokół zwykłych gwiazd. Z czasem przekonaliśmy się, że to niedoskonałość technik obserwacyjnych owocuje nadmiarem układów z bardzo masywnymi i obiegającymi blisko macierzystej gwiazdy superjowiszami.

Jednak techniki obserwacyjne jak i aparatura ulegały doskonaleniu. Rosła też baza obserwacji wykonanych już w czasach cyfrowych sensorów i komputerowego zapisu danych. W końcu zaczęliśmy dostrzegać także te mniejsze planety i układy bliższe naszemu wyobrażeniu. Masowe przeglądy nieba, w tym te związane z obserwacjami zjawisk mikrosoczewkowania, zaczęły dostarczać także nieoczekiwanych kandydatów na obiekty planetarne, które nie są związane z gwiazdami. Pierwsze kandydatki zaobserwowano jeszcze w latach 90. XX wieku.

Kiedyś, zwykle na wczesnym etapie ich istnienia zostały one wyrzucone z macierzystych układów, a być może nawet powstały samodzielnie z obłoku materii, który był za mało masywny, by ukształtowała się w nim gwiazda. Teraz poruszają się poprzez Galaktykę. Trzeba tu zwrócić uwagę, że mowa o obiektach, które są bezwzględnie planetami. Nie zaliczają się do nich brązowe karły, które często też nie mają własnych Słońc i są swobodnie rozmieszczone w przestrzeni galaktycznej.

Te obiekty, to tak zwane swobodne czy też samotne planety, o których naturze mogliście czytać przy okazji planów umieszczenia na orbicie teleskopu Nancy Grace Roman (NGR). Jeszcze rok temu oficjalna lista takich obiektów była uboga. Co ważne, jedną z najmniejszych planet tego typu, o masie zbliżonej do masy Ziemi, odkryto w danych warszawskiego zespołu astronomów OGLE. Jej istnienie na potwierdzono na podstawie zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego z 2016 roku. By wykryć tak mały obiekt trzeba mieć niesamowite szczęście, bo samo zjawisko mikrosoczewkowania, z którego wywnioskowano masę planety (to ona była soczewką) trwało tylko kilkadziesiąt minut.

Teleskop Nancy Grace Roman, a także inne projekty, które zaowocują masowym przeglądem nieba, bo tylko tak możemy zwiększyć prawdopodobieństwo wykrycia samotnej planety, jeszcze czekają na rozpoczęcie. Jednak dysponujemy już ogromnymi zasobami danych obserwacyjnych z wcześniejszych lat, w których być może takie obiekty mogły umknąć detekcji.

Z prostego powodu. By wykryć ciało niebieskie danego typu, trzeba wiedzieć, że się jego szuka. Trzeba być nastawionym na wykrywanie wszelkiego typu odstępstw od standardowego zachowania obiektów w Kosmosie. A przede wszystkim trzeba szukać wśród tych najsłabiej widocznych. Takie właśnie podejście do tematu, które jak tłumaczy Núria Miret-Roig, polegało na „pomiarze drobniutkich ruchów, barw i jasności dziesiątek milionów obiektów na dużej powierzchni nieba”, zaowocowało przełomem w poszukiwaniach samotnych planet.

Analiza obserwacji z teleskopów naziemnych i kosmicznych, które obejmują około 20 letnią bazę czasową, dostarczyła dowodów na istnienie co najmniej 70 samotnych planet o masach porównywalnych z masą Jowisza. Tylko część z tych planet, około 25%, to obiekty wcześniej znane. Zadacie w tym miejscu pewnie pytanie, skąd wiadomo jaką masę maja te planety? W przypadku zjawiska mikrosoczewkowania z kształtu krzywej pojaśnienia można wywnioskować masę soczewkującego obiektu, ale jak to uczynić dla obiektów swobodnie przemierzających kosmos?

Przede wszystkim jako stosunkowo młode obiekty są one wciąż położone stosunkowo blisko rejonu powstawania gwiazd, który znajduje się w kierunku wspomnianych gwiazdozbiorów (powyżej wizualizacja takiej młodej planety w obłoku materii z którego powstała). Obserwowany rejon znajduje się w odległości od 390 do 473 lat świetlnych od Ziemi i nie jest starszy niż 10 milionów lat. Na niebie zajmuje on powierzchnię około 850 tarcz Księżyca w pełni.

Te informacje oraz pomiary jasności pozwalają oszacować, co prawda zgrubnie, zakres mas wykrytych obiektów. Wiele zależy od tego jak stary faktycznie jest region, z którego wykluły się te samotne planety. Im młodszy, tym mniejsza jest masa wykrytych obiektów. Gdyż jako starsze obiekty, mają one masę prawdopodobnie znacznie większą niż 13 mas Jowisza, a to nie pozwala ich klasyfikować jako planet. Dlatego liczba 70 to dolna granica na liczbę wykrytych swobodnych planet przy założeniu górnej granicy wieku 10 milionów lat. Z drugiej strony może ona sięgać nawet 170 obiektów, jeśli są one znacznie młodsze, nawet w wieku 3 milionów lat.

Główną bazą danych są obserwacje teleskopów ESO, czyli Europejskiego Obserwatorium Południowego. To VLT (Very Large Telescope), VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy), VST (VLT Survey Telescope) oraz teleskop MPG/ESO z obserwatorium w La Silla. Wszystkie instrumenty zlokalizowane są w Chile, co w pewnym stopniu determinowało miejsce poszukiwań.

Wybrano na nie region nieba w pobliżu dysku galaktyki w gwiazdozbiorach Skorpiona i Wężownika, które w Chile są bardzo dobrze widoczne przez sporą część roku. W Polsce możemy je podziwiać latem i to w stosunkowo niewielkiej wysokości nad południowym horyzontem. Dane uzupełniono obserwacjami teleskopu kosmicznego ESA Gaia.

Odkrycie tak dużej populacji samotnych planet możliwe było nie tylko dzięki długiej czasowej bazie obserwacji, szerokiemu polu obserwacji i wykorzystaniu instrumentów do granic możliwości jak to pokreśla Hervé Bouy z zespołu badawczego. A także ze względu na fakt, że odkryte obiekty są stosunkowo młode.

A jako dopiero co uformowane, choć już samodzielnie przemierzające galaktykę, są wciąż na tyle gorące, by pozostawić po sobie poświatę w podczerwieni. Tym samym nie wyczerpują one całkowicie klasy samotnych planet, bo takiego obiektu jak odkryty przez zespół OGLE, nie dałoby rady zaobserwować bezpośrednio wizualnie.

Zarazem stanowią one tak bogatą kolekcję, że naukowcy mogą zastanawiać się nad ich genezą, w tym przyczynami, które sprawiły, że nie mają one swoich słońc. Opisane tu obserwacje sugerują, że zarówno samodzielna kontrakcja materii jak i wyrzuty z układów planetarnych w ciągu pierwszych milionów lat ich istnienia, są podobnie skutecznym źródłem takich planet.

Wyniki obserwacji mogą także podważyć dotychczasowy sceptycyzm co do ilości takich obiektów w Galaktyce.

Hervé Bouy zwraca uwagę, że dotychczas „przeanalizowano dziesiątki tysięcy obrazów nieba, które przekładają się na setki godzin obserwacji i dosłownie dziesiątki terabajtów danych”. Dokładnie było to 80818 obrazów nieba, z 18 różnych urządzeń obserwacyjnych, na których zidentyfikowano ponad 26 milionów obiektów.

Wszystkie rezultaty są bardzo obiecujące, ale to wciąż początek prób zrozumienia samotnych planet. Pomocny będzie tu nie tylko kosmiczny teleskop NGR, ale także nowa klasa naziemnych super teleskopów. ESO już od lat buduje teleskop ELT czyli Extremely Large Telescope (Ekstremalnie Wielki Teleskop) w odległości 20 km od obserwatorium VLT.

Tenże teleskop, wraz z innymi jak amerykański Giant Magellan Telescope (GMT), który z kolei powstanie nieopodal innego obserwatorium ESO w La Silla, a być może też Thirty Meter Telescope (TMT) to nowa klasa super teleskopów. Dostrzegą one obiekty, które dziś są daleko poza możliwościami naszych obserwacji.

Źródło: ESO