Fabryka planet. Planety pozasłoneczne i poszukiwanie drugiej Ziemi

Zapomnij o rakietach na Marsa! – przyszłością badań kosmosu są poszukiwania planet pozasłonecznych!

Jeszcze dwadzieścia lat temu planetami poza Układem Słonecznym zajmowała się wyłącznie fantastyka. Od czasu słynnego, pierwszego odkrycia dokonanego przez Aleksandra Wolszczana poszukiwanie i badanie egzoplanet to jedna z najszybciej rozwijających się dziedzin astronomii.

Nowo odkryte światy są bardziej niezwykłe od wszystkiego, co wyobrażali sobie pisarze. Istnieją planety większe od Jowisza, na których rok trwa krócej niż tydzień, na innych niebo rozświetlają dwa słońca, a jeszcze inne samotnie przemierzają kosmos. Są też planety z diamentowymi płaszczami, światy wielkości Ziemi podzielone na dwie półkule wiecznego dnia i wiecznej nocy, planety pokryte globalnymi oceanami i takie, na których przelewają się morza wulkanicznej lawy.

Odkrycie tej różnorodności to dopiero początek. Na zbadanie czeka jeszcze cała galaktyka różnych możliwości. Trudno nie zadać sobie pytania, czy wśród tak wielu światów, nie istnieje gdzieś druga Ziemia.

Autorce tej niesłychanie wciągającej i rzetelnie napisanej książki udało się dokonać czegoś niemal niemożliwego – w bardzo zrozumiały sposób wyjaśnia nam wszystko, co powinniśmy wiedzieć o tej zupełnie nowej, szybko zmieniającej się dziedzinie nauki, która zajmuje się poszukiwaniem nowych światów.
Caleb Scharf, profesor astronomii na Uniwersytecie Columbia, autor książek “Silniki grawitacji” i “Kompleks Kopernika”.

Książka Elizabeth Tasker to jedno z najlepszych znanych mi opracowań popularyzujących naukę. Jest ona zadziwiająco kompletnym opisem aktualnego stanu astronomii planet pozaspołecznych, przedstawionym w sposób ogromnie zajmujący i przystępny dla każdego. Bardzo polecam ją wszystkim, którzy chcieliby zapoznać się z tą ciągle jeszcze nową, fascynującą dziedziną nauki, głęboko motywowaną pragnieniem odkrycia życia poza Ziemią.
Aleksander Wolszczan, polski radioastronom, profesor nauk fizycznych, nauczyciel akademicki.

Elizabeth Tasker – brytyjski astrofizyk. Pracuje w japońskiej agencji kosmicznej. W pracy naukowej skupia się głównie na badaniach procesów formowania się gwiazd i planet. Studiowała fizykę teoretyczną na Uniwersytecie w Durham. Uzyskała stopień doktora astrofizyki na Uniwersytecie Oksfordzkim.

Na początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku wiedzieliśmy o istnieniu ośmiu planet: Merkurego, Wenus, Ziemi, Marsa, Jowisza, Saturna, Urana, Neptuna oraz dwóch planet karłowatych: Ceres (w pasie planetoid) i Plutona (w pasie Kuipera).
Pierwsze cztery z nich są planetami typu ziemskiego, mają skalistą powierzchnię i cienką atmosferę. Kolejne cztery to gazowe olbrzymy, których masa jest od 15 do 300 razy większa, a spowija je atmosfera o grubości wielu tysięcy kilometrów.
Nie były to jednak jedyne światy, jakie istnieją w kosmosie.

Żyło raz sześciu w Hindustanie
Ludzi ciekawych niesłychanie
I chociaż byli ślepi,
Wybrali kiedyś się na błonie,
Aby zapoznać się ze słoniem
I umysł swój pokrzepić.

Jest taka stara hinduska opowieść o sześciu ślepcach, którzy chcieli się przekonać, jak wygląda słoń. Każdy z nich wyciąga rękę i dotyka innej części nieznanego zwierzęcia. Pierwszy czuje pod palcami gładką błonę wnętrza słoniowego ucha. Drugi chwyta zakrzywiony kieł, natomiast trzeci łapie zwierzę za cienki ogon. Czwarty mężczyzna dotyka trąby, a piąty obejmuje ramionami jedną z nóg. Ostatni kładzie dłoń na szerokim boku zwierzęcia. Po chwili zaczynają się ze sobą sprzeczać o to, jak naprawdę wygląda słoń, ponieważ każdy z nich poznał jedynie część prawdy.

– Czy jest coś, co sprawiłoby, że miałbyś ochotę wyrzucić tę książkę przez okno?
Zimowe słońce zaglądało przez szybę w jednym z okien na trzecim piętrze wydziału fizyki Uniwersytetu Stanu Waszyngton, które mogłoby posłużyć do tego właśnie celu. Na zewnątrz rozciągała się wspaniała panorama mokrego od deszczu Seattle, ale ja miałam przed oczami jedynie zniszczony egzemplarz mojej książki w jednej z kałuż.
Naprzeciw mnie siedział Tom Quinn, astrofizyk o gęstej brodzie, który już od wielu dziesięcioleci zajmuje się modelami powstawania planet. Od dziesięciu minut gadałam jak najęta, opisując wszystkie górnolotne cele, jakie chciałam osiągnąć swoim opus magnum. Teraz doszliśmy do sprawy zasadniczej: co mogłoby sprawić, by uznany ekspert od planetologii odrzucił książkę o innych światach jako całkowitą bzdurę? Sądziłam, że Quinn odpowie, wyliczając na palcach kilka podstawowych kwestii. Spodziewałam się, że numerem jeden na jego liście będzie duże znaczenie gorących jowiszów, ponieważ odkrycie pierwszych planet tego typu wokół gwiazd przypominających Słońce obróciło wniwecz wszystkie wcześniejsze teorie powstawania układów planetarnych. Następne w kolejności mogłyby być tajemnicze super-Ziemie o rozmiarze, który nie pasuje do niczego, co krąży wokół Słońca. Czy są to miniaturowe planety gazowe z duszącą wszystko atmosferą, czy też planety skaliste w rozmiarze XXL?
Quinn mógłby również wspomnieć o planetach krążących po orbitach wokół dwóch bliźniaczych gwiazd, przypominających fikcyjną planetę rodzinną Luke’a Skywalkera, lub o drugiej skrajności, czyli o planetach, które w ogóle nie mają swojego słońca. Poza tym są jeszcze światy, których trajektoria wokół macierzystych gwiazd jest tak wydłużona, że panujący na nich klimat przechodzi od jednej skrajności do drugiej: w jednym punkcie orbity są rozpalonymi kulami ognia, a w przeciwległym – skutymi lodem bryłami śniegu. Są również światy, w których słońce nigdy nie zachodzi, a jeszcze inne są całe zalane wodą lub pokryte roztopioną lawą. Quinn mógł też powiedzieć o tym, że kolejnym ważnym odkryciem będzie znalezienie planet przypominających Ziemię, z postrzępioną linią brzegową, na których rozwijają się dziwne formy życia.
Jednak Quinn niczego nie wyliczył, tylko odpowiedział szczerze:
– Nasza wiedza o powstawaniu planet nie jest jeszcze pełna. Do tej pory udało się nam zobaczyć tylko niewielki ułamek tego, co istnieje w kosmosie. Gdybyś przedstawiła to, co wiemy, jako pełny obraz wszystkiego, co istnieje, to wtedy bez wahania wyrzuciłbym twoją książkę przez okno.
Quinnowi chodziło o to, że próbując poznać tajemnice planet, przypominamy ślepców badających słonia. Niezliczone światy wypełniające kosmos są niewidocznym stworzeniem, które próbujemy ogarnąć umysłem, analizując jego niewielkie, odkryte do tej pory fragmenty.

W 1968 roku Michel Mayor wpadł do lodowej rozpadliny i niewiele brakowało, a nie dokonałby pierwszego odkrycia planety krążącej wokół innego słońca.
Mayor był eksploratorem. Urodził się w 1942 roku w Lozannie, na szwajcarskim wybrzeżu Jeziora Genewskiego, i dorastał w rodzinie, w której wszyscy uwielbiali ruch na świeżym powietrzu. Potem przekształciło się to w dość ryzykowne zamiłowanie do narciarstwa wysokogórskiego i alpinizmu, na skutek czego 26 lat później zawisł na krawędzi oblodzonej półki skalnej. Być może to właśnie fascynacja wysokością rozbudziła w Mayorze zainteresowanie gwiazdami i ich ruchem.
W swojej pracy doktorskiej, napisanej na Uniwersytecie Genewskim, Mayor szukał niewielkich odchyleń w trajektoriach gwiazd wynikających z wpływu przyciągania grawitacyjnego ramion spiralnych naszej Galaktyki. Wymagało to zmierzenia prędkości gwiazd z niezwykle dużą precyzją. Mayor wymyślał kolejne sposoby poprawy dokładności tych pomiarów, dzięki czemu udawało mu się wykrywać coraz mniejsze zmiany w ruchu gwiazd. W końcu był w stanie zauważyć nawet bardzo małe zaburzenia wynikające z obecności obiektów o wiele mniejszych od badanej gwiazdy, takich jak niewidoczne planety.
Problem z wykrywaniem planet polega na tym, że gwiazdy są wielkie i jasne. Nawet Jowisz, najmasywniejsza planeta Układu Słonecznego, odbija zaledwie jedną miliardową światła słonecznego. To sprawia, że niezwykle trudno jest dostrzec planety krążące wokół innych gwiazd, zwłaszcza że same gwiazdy są tylko niewielkimi kropkami światła na niebie. Technika opracowana przez Mayora pozwalała jednak wykryć planety bez konieczności ich bezpośredniego zaobserwowania. Wystarczyło zmierzyć wahnięcia ruchu gwiazdy wynikające z obecności krążącej wokół niej planety.
Gdy mowa o orbitach, zazwyczaj wyobrażamy sobie jakiś mniejszy obiekt krążący wokół nieruchomego, masywniejszego ciała, na przykład Ziemię obiegającą Słońce lub Księżyc krążący wokół Ziemi. W rzeczywistości jednak oba ciała przyciągają się wzajemnie, a zatem oba się poruszają. Taka para ciał krąży wokół wspólnego środka masy – punktu równowagi ich wzajemnego przyciągania grawitacyjnego.
Można to porównać do sytuacji, w której umieszczamy dwie gumki na obu końcach ołówka i próbujemy go utrzymać w stanie równowagi na wyciągniętym palcu. Jeśli obie gumki mają taki sam ciężar, to punkt równowagi znajduje się w środku ołówka. Tak właśnie jest w przypadku dwóch gwiazd o jednakowej masie tworzących układ podwójny. Takie gwiazdowe bliźnięta krążą wokół punktu znajdującego się w połowie drogi między nimi. Gumki mogą jednak mieć również różne masy i wtedy punkt równowagi przesuwa się w kierunku tego końca ołówka, na którym znajduje się cięższa gumka. Charon, olbrzymi księżyc Plutona, ma masę wynoszącą niemal 12 procent masy samego Plutona. Środek masy obu tych ciał znajduje się około 1000 km nad powierzchnią Plutona i prawie 17 000 km od powierzchni Charona. Gdy zatem oba ciała krążą po orbicie wokół tego punktu równowagi, to nie tylko Charon kreśli w przestrzeni kosmicznej wielkie okręgi – Pluton również się porusza, choć po znacznie mniejszych okręgach2. Ponieważ masa Księżyca wynosi zaledwie 1 procent masy Ziemi, środek masy obu ciał znajduje się około 1700 km pod powierzchnią Ziemi. Ziemia nadal krąży wokół takiego miejsca, ale wynikający z tego ruch bardziej przypomina chybotanie, ponieważ cała planeta obraca się wokół punktu położonego w jej wnętrzu.
W przypadku gwiazdy i planety różnica mas jest tak ogromna, że środek masy układu znajduje się bardzo blisko fizycznego środka gwiazdy. W efekcie planeta porusza się po wielkich okręgach niemal dokładnie wokół gwiazdy, natomiast ruch orbitalny samej gwiazdy przejawia się jako jej nieznaczne kołysanie się.
Pod koniec 1994 roku Didier Queloz, doktorant Mayora, prowadził samodzielne obserwacje teleskopowe i podczas badania jednej z gwiazd zauważył takie właśnie kołysanie się. Chodziło o gwiazdę znajdującą się w odległości 51 lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze uskrzydlonego konia, Pegaza. Był to sygnał świadczący o istnieniu planety pozasłonecznej, czyli egzoplanety – planety znajdującej się poza Układem Słonecznym.
Zjawisko pozwalające wykryć tak niewielkie chybotanie jest podobne do tego towarzyszącego przejazdowi karetki na sygnale. Gdy karetka się do nas zbliża, odległość między nami i syreną ulega zmniejszeniu. Prowadzi to do ściśnięcia fal dźwiękowych i skrócenia ich długości, co odbieramy jako wzrost wysokości dźwięku. Gdy karetka się oddala, fale dźwiękowe ulegają rozciągnięciu i dźwięk się obniża. Jest to tak zwany efekt Dopplera.
To samo dzieje się ze światłem gwiazd. Gdy jakaś gwiazda zbliża się nieznacznie do Ziemi podczas ruchu po orbicie wraz ze swoją planetą, jej fale świetle ulegają ściśnięciu i skróceniu, na skutek czego docierające do nas światło jest nieco bardziej niebieskie. Gdy gwiazda się oddala, jej fale świetlne rozciągają się i światło staje się trochę bardziej czerwone. Gdy planeta i gwiazda krążą wokół swojego środka masy, długość fali światła gwiazdy przesuwa się na zmianę raz w kierunku niebieskiego, a raz czerwonego krańca widma, w takt jej chybotliwego ruchu.
Zjawisko to można wyjaśnić również w inny sposób, rozważając zachowanie się cząstek światła. Gwiazdę można porównać do osoby rzucającej do nas lekkie piłki w jednakowych odstępach czasu. Gdy gwiazda się do nas zbliża, dzieląca nas odległość maleje i piłki docierają szybciej. To odpowiada zmniejszeniu się długości fali, które powoduje przesunięcie barwy światła w kierunku niebieskiego krańca widma i wzrost wysokości dźwięku syreny. Gdy gwiazda się od nas oddala, dzieląca nas odległość rośnie i piłki potrzebują więcej czasu, by do nas dotrzeć. To odpowiada wzrostowi długości fali i zmianie barwy światła na nieco bardziej czerwoną.
Mierząc taką zmianę długości fali, uzyskujemy obraz zmian prędkości gwiazdy wynikających z jej nieznacznego, naprzemiennego przybliżania się i oddalania od Ziemi. Prędkość gwiazdy w naszym kierunku nazywa się fachowo jej prędkością radialną i dlatego opisana tu metoda poszukiwania planet jest nazywana metodą prędkości radialnych lub przesunięcia dopplerowskiego.
Mierząc czas, jakiego gwiazda potrzebuje na wykonanie jednego wahnięcia tam i z powrotem, Mayor i Queloz określili czas obiegu jej planety po orbicie. Ta informacja pozwoliła im ustalić, jaka odległość dzieli tę planetę od macierzystej gwiazdy. Z kolei wielkość efektu chybotania się gwiazdy świadczy o masie planety – im bardziej dana gwiazda porusza się po swojej orbicie, tym dalej od jej środka znajduje się punkt równowagi, a to oznacza, że planeta ma większą masę.
Ściśle rzecz biorąc, oszacowanie masy planety na podstawie metody prędkości radialnych zawsze daje jej najmniejszą możliwą wartość. Wynika to stąd, że odbierane przez nas fale świetlne rozciągają się i kurczą tylko za sprawą ruchu odbywającego bezpośrednio w naszym kierunku. Chybotanie się gwiazdy w dowolnym innym kierunku pozostaje dla nas niezauważalne.
Przypomina to próbę opisania ruchu balonu na gorące powietrze przez śledzenie jego cienia. Przemieszczający się cień odzwierciedla ruch balonu w płaszczyźnie równoległej do powierzchni Ziemi, ale w żaden sposób nie pozwala stwierdzić, czy balon poszybował w górę, czy w dół. Gdybyśmy na podstawie obserwacji ruchu cienia balonu próbowali ustalić, ile paliwa zużyła już jego załoga, to nasze oszacowanie bardzo często byłoby zaniżone, ponieważ nie uwzględnialibyśmy zużycia paliwa na zwiększenie wysokości balonu. Podobnie jeśli planeta i gwiazda krążą po orbicie nachylonej pod pewnym kątem względem Ziemi, to jedynie część ruchu gwiazdy będzie się odbywała w naszym kierunku i tylko tę część będziemy mogli wykryć. To oznacza, że wyznaczona na tej podstawie siła oddziaływania planety jest zaniżona i obliczając jej masę, uzyskujemy zbyt małą wartość.
Mayor i Queloz prowadzili obserwacje za pomocą teleskopu działającego w Observatoire de Haute-Provence na południu Francji. Pod koniec 1994 roku mieli już 12 pomiarów prędkości radialnej gwiazdy 51 Pegasi i uświadomili sobie, że odkryli coś ważnego. Potem jednak pojawiły się wątpliwości. Poprzednie próby odkrycia obiektów tak małych jak planety sprawiły, że poszukiwania planet były okryte złą sławą. W ciągu minionych 50 lat pojawiło się wiele błędnych doniesień o odkryciu takich obiektów, które po bliższym zbadaniu trzeba było odwoływać. Czy to rzeczywiście była planeta, czy też obserwowali jedynie niewielkie zmiany w atmosferze gwiazdy wynikające z jej ruchu obrotowego wokół własnej osi?
Pojawił się jeszcze jeden problem. Gdy obliczyli minimalną masę planety i czas jednego jej pełnego okrążenia po orbicie, uzyskane wartości wydały im się całkowicie bez sensu.
Ta hipotetyczna planeta musiałaby być światem przynajmniej w połowie tak dużym jak Jowisz, a więc około 150 razy większym od Ziemi. Tak duża wielkość oznaczała, że musiałby to być gazowy olbrzym, podobny do naszych czterech wielkich planet: Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Tego typu planety mają prawdopodobnie stałe jądra, ale głównie składają się z masywnej atmosfery o grubości wielu tysięcy kilometrów. Wszystkie gazowe olbrzymy Układu Słonecznego znajdują się w jego zewnętrznym obszarze. Zgodnie z obowiązującymi modelami formowania się planet, takie ich umiejscowienie powinno być powszechne w całym kosmosie. Do utworzenia się gazowego olbrzyma potrzebna jest ogromna ilość materii, a tej po prostu nie ma wystarczająco dużo w pobliżu gwiazdy, ponieważ za sprawą wysokiej temperatury większość znajdującego się tam gazu i pyłu wyparowuje. Gazowe olbrzymy muszą zatem powstawać zawsze z dala od gwiazdy. Mimo to ta nowa planeta wcale nie znajdowała się daleko od swojej gwiazdy. Prawdę mówiąc, jej odległość od 51 Pegasi była dużo mniejsza niż odległość Merkurego od Słońca. Okazało się, że jeden rok na tym nowym świecie trwa zaledwie cztery dni. Uczeni byli przekonani, że musiało tu gdzieś dojść do jakiejś pomyłki.
Mayor i Queloz postanowili nie spieszyć się z ogłoszeniem odkrycia i przeprowadzili kolejne obserwacje gwiazdy 51 Pegasi. W lipcu 1995 roku ich zbiór z wynikami pomiarów powiększył się o osiem nowych pozycji. Po przeanalizowaniu zebranych danych nabrali w końcu pewności. Okazało się, że mimo wszystko udało im się wykryć rzeczywistą planetę.
Szóstego października tego samego roku Mayor brał udział w warsztatach naukowych zorganizowanych we Florencji. Zarejestrował się w ostatniej chwili, uzyskał więc jedynie sposobność przedstawienia krótkiej, pięciominutowej prezentacji podczas dyskusji przy okrągłym stole. Jeszcze przed rozpoczęciem spotkania zaczęły krążyć plotki o tym, co Mayor zamierza na nim ogłosić. Organizatorzy wydłużyli czas jego wystąpienia do 45 minut.
Gdy Mayor wstał z miejsca, powiadomił zebranych o pierwszym odkryciu planety pozasłonecznej, którego dokonano dzięki analizie chybotliwego ruchu gwiazdy przypominającej Słońce. Odkrycie to uruchomiło całą lawinę podobnych badań i już wkrótce świat dowiedział się o istnieniu dziesiątków nowych planet.

Rozgrzany do czerwoności świat Mayora otrzymał nazwę 51 Pegasi b. Nazwa ta powstała przez dodanie do nazwy gwiazdy – 51 Pegasi – małej litery „b”. Zgodnie z przyjętą konwencją mała litera „a” jest zarezerwowana dla samej gwiazdy, a zatem pierwsza planeta odkryta w danym układzie planetarnym otrzymuje literę „b”. Kolejne planety zostają oznaczone literami „c”, „d”, „e” i tak dalej. Jeśli natomiast dana gwiazda jest częścią układu podwójnego, utworzonego przez dwie gwiazdy krążące po orbitach, to obie gwiazdy rozróżnia się przez dodanie do nazwy każdej z nich dużej litery „A” lub „B”.
Same nazwy gwiazd mają przeróżne pochodzenie. W przypadku 51 Pegasi jej nazwa mówi o tym, że jest to pięćdziesiąta pierwsza gwiazda, którą przypisano do gwiazdozbioru Pegaza. Nazwy innych gwiazd wywodzą się z katalogów astronomicznych, w których je opisano. Na przykład Gliese 1214 jest tysiąc dwieście czternastą gwiazdą w Katalogu Gliesego, natomiast nazwa BD+20594 odwołuje się do katalogu Bonner Durchmusterung. Jak się przekonamy w dalszej części książki, nazwy wielu gwiazd mających układy planetarne wywodzą się od nazw przyrządów lub programów badawczych, które przyczyniły się do odkrycia tych nowych światów.
Choć nigdy nie było tak naprawdę wątpliwości, że wokół wielu gwiazd powinny krążyć planety, to jednak dopiero odkrycie 51 Pegasi b zapoczątkowało metodyczne poszukiwania tych obcych światów. Potem, w 1999 roku, doszło do kolejnego przełomu, dzięki któremu zaczęto odkrywać nowe światy już masowo.