Zobaczyć obce światy
Pierwsze zdjęcie obcej planety pochodzi z 2004 r. i zostało wykonane przez system NaCo (to system optyki adaptywnej, działający w bliskiej podczerwieni), zamontowany na teleskopie typu Nasmyth, pracującym w obserwatorium Very Large Telescope Nasmyth-Cassegrain (VLT) w Chile. Obraz ukazuje brązowego karła 2M1207, który znajduje się w konstelacji Centaura w odległości 173 lat świetlnych (l.ś.) od nas. Brązowy karzeł to prawie gwiazda, w której zachodzą ograniczone, tylko wstępne procesy syntezy jądrowej. Ten ma ok. 21 mas Jowisza. Towarzyszy mu trwale związany obiekt (jakieś 5 mas Jowisza) w odległości wynoszącej mniej więcej dwa dystanse Neptuna do Słońca. Dłuższe obserwacje układu potwierdziły, że jest to obca planeta – pierwsza, jakiej udało się zrobić zdjęcie. Była wielokrotnie przy rozmaitych okazjach pokazywana.
Oglądanie egzoplanet
Potem doniesień o dostrzeżeniu w zakresie podczerwonym kolejnych obcych planet było coraz więcej. W tym samym roku, nieco później, także zespół astronomów pracujący w obserwatorium VLT doniósł o odkryciu towarzysza gwiazdy AB Pictoris – typu pomarańczowy karzeł – położonej w gwiazdozbiorze Malarza w odległości 154 l.ś. Towarzysz ów (AB Pictoris b) ma ok. 13 mas Jowisza, więc to albo planetarny olbrzym, albo już brązowy karzeł. W 2005 r. należący do VLT teleskop Yepun wykonał zdjęcie młodej gwiazdy GQ Lupi w gwiazdozbiorze Wilka (457 l.ś. od nas) i jej towarzysza, który ma trudną do określenia masę, ponieważ cały układ jest jeszcze bardzo młody. GQ Lupi to gwiazda typu T Tauri, nieco mniej masywna od Słońca, która liczy sobie zaledwie milion lat. Jednak coś wyraźnego wokół niej krąży i jest to prawdopodobnie planeta.
Wreszcie w 2008 r. Kosmiczny Teleskop Hubble’a
wykonał pierwsze optyczne zdjęcie obcej planety okrążającej gwiazdę Fomalhaut (zwaną też a PsA lub 79 Aquarii); to biały podolbrzym leżący 25 l.ś. od Ziemi, jedna z jaśniejszych gwiazd na niebie południowym – główna w konstelacji Ryby Południowej; należy do Ciągu Głównego, a to znaczy, że spala wodór. Po arabsku fum-al-hut oznacza „paszcza wieloryba”. Ta bardzo młoda gwiazda liczy 400 mln lat, jest dwa razy masywniejsza od Słońca i wielekroć od niego jaśniejsza. Otacza ją obszerny dysk pyłu lodowego, w którym w znacznej odległości, ok. 140 jednostek astronomicznych (j.a. – odległość Ziemi od Słońca), znajduje się bardzo jasny, ostry i wąski pierścień materii utrzymywanej przez dwie planety – jedną krążącą wewnątrz pierścienia, drugą na zewnątrz. Wewnętrznej planecie, większej, czyli Fomalhaut b, nadano nazwę Dragon; była to właśnie pierwsza obca planeta odkryta w obserwacji optycznej. Planety zewnętrznej na razie nie zaobserwowano, ale z pewnością gdzieś tam istnieje i kiedyś ktoś ją dojrzy.
Podziwianie układów
Jednak podziwianie obcych pojedynczych planet, choć niezwykle interesujące z punktu widzenia nauki i działające na wyobraźnię, to prawie nic w porównaniu z obserwacją całych dalekich układów planetarnych. A takie też już udało się zidentyfikować i zrobić im zdjęcia. Pierwszym obcym układem egzoplanet, który możemy podziwiać, jest układ gwiazdy HR 8799. Jego pierwsze zdjęcie wykonane w podczerwieni pochodzi z 2008 r. HR 8799 to młoda – liczy zaledwie 30 mln lat – gwiazda zmienna o typie widmowym A (biały podolbrzym), co oznacza, że jest masywniejsza od Słońca (niemal dwa razy). Znajduje się w konstelacji Pegaza 129 l.ś. od nas. W 2008 r. odkryto wokół niej trzy ogromne planety, znacznie masywniejsze od Jowisza, a dwa lata później – czwartą planetę. Wszystkich ustaleń dokonano na Hawajach – w Keck Observatory i w Gemini Observatory. Planeta najbliższa macierzystej gwiazdy, czyli HR 8799e, orbituje w odległości aż 15 j.a., a czas jej obiegu wynosi 45 lat ziemskich. Ma ok. 9 mas Jowisza.
Dalsze planety – d, c i b, o porównywalnej wielkości – krążą coraz dalej, więc obieg gwiazdy trwa dłużej. Ostatnia – b – orbituje w odległości 68 j.a., a jeden obieg zajmuje jej 460 lat ziemskich. Ma ok. 7 mas Jowisza. Problem z układem HR 8799 polega na tym, że żadna z obecnych teorii rodzenia się układów planetarnych nie tłumaczy, w jaki sposób wokół gwiazdy może powstać aż tyle tak masywnych planet, orbitujących w tak dużych odległościach. Układ można podziwiać na krótkim filmie (https://pl.wikipedia.org/wiki/HR_8799#/media/Plik: HR_8799_Orbiting_Exoplanets.gif), ukazującym, w jaki sposób jego olbrzymy orbitują wokół gwiazdy (zapis wykonano na podstawie zdjęć uzyskanych z teleskopu Kecka).
Po planetach czas na księżyce
Z kolei od roku furorę wśród miłośników nieba robi inny układ planetarny, oznaczony symbolem PDS 70. Układ ten obserwowano już wcześniej, jeszcze w latach 90. ub.w. W jego centrum znajduje się młoda gwiazda typu T Tauri (nieco mniej masywna od Słońca), leżąca w konstelacji Centaura 370 l.ś. od nas. Jednak dopiero w 2018 r. VLT wykrył w PDS 70 bardzo młodą, tworzącą się właśnie planetę.
Gwiazdy typu T Tauri są dość jasne, ponieważ mają duże średnice – są niejako rozdęte, gdyż nie zakończyły w pełni procesu formowania się – i czerpią energię z zapadania grawitacyjnego. Nie dochodzi w nich jeszcze do procesów termojądrowych, ale gdy odpowiednio mocno się zapadną i zagęszczą, rozpoczną się reakcje fuzji, w których z wodoru powstaje hel. Obiekt stanie się wówczas pełnoprawną gwiazdą – zacznie przekształcać lżejsze pierwiastki w cięższe. Gwiazda PDS 70 liczy zaledwie ok. 10 mln lat i dysk materii, z którego powstała, jest wciąż potężny – jego promień ma 130 j.a. Tymczasem najdalsze obszary Układu Słonecznego leżą w odległości 50 j.a. od Słońca.
Badacze nieba już wcześniej obserwowali wokół innych gwiazd typu T Tauri wyraźne dyski protoplanetarne, w których spodziewano się dostrzec przychodzące na świat planety. Udało się to zespołowi dr Miriam Keppler z Max-Planck-Institut für Astronomy w Heidelbergu. Naukowcy, korzystając z przyrządu o nazwie SPHERE, zamontowanego na jednym z teleskopów obserwatorium VLT w Chile, odkryli w bliskości PDS 70 rodzącą się planetę typu jowiszowego, która jest oddalona od swojej macierzystej gwiazdy o 22 j.a. Oznacza to, że PDS 70b – taki symbol ona otrzymała – dzieli od jej gwiazdy taka odległość jak Uran od Słońca. Jej okres obiegu to 120 lat ziemskich, a temperatura powierzchni osiąga ponad 1000°C.
PDS 70b jest tzw. superjowiszem i udało się ją zaobserwować, bo astronomowie zauważyli w dysku otaczającym gwiazdę wyraźną lukę. Luki takie zwykle uznaje się za objaw powstawania planet w dysku, niestety bardzo trudno dostrzec same planety – bardzo jasna gwiazda (a te typu T Tauri są pod tym względem wyjątkowe) przyćmiewa bowiem swoim blaskiem niemal wszystko, co znajduje się wokół. Dlatego naukowcy z Heidelbergu użyli polaryzatora, dzięki któremu mogli oddzielić obraz dysku od obrazu samej gwiazdy. Gdy udało się odseparować obrazy, ujrzeli w dysku potężną przerwę, w której zaczęli szukać planety. W tym celu użyli koronografu, który przykrywa światło samej gwiazdy. I wówczas ukazała się im planeta. Nieco później udało się tym sposobem odkryć drugą, dalszą planetę – PDS 70c orbitującą wokół macierzystej gwiazdy w odległości 5,3 mld km. Czyli mamy już układ.
W tym roku badacze postanowili do wcześniejszych zdjęć układu PDS 70, poczynionych w zakresie podczerwonym i optycznym, dodać obserwację radioteleskopu ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), działającego na pustyni Atakama w Chile. Jakież było ich zdziwienie, gdy wokół później odkrytej planety PDS 70c ujrzeli dzięki połączeniu wielu różnych obrazów dysk materii podobny do dysków otaczających nowo powstające gwiazdy. Jest to pierwsza obserwacja obiektu tego typu w historii. Okazuje się więc, że nie tylko nowo powstałe gwiazdy mają dyski protoplanetarne z rodzącymi się w nich planetami. Także nowo powstające planety mogą posiadać własne dyski, z których materia częściowo opada na nie, ale w których także mogą powstawać księżyce. Modele tworzenia się układów planetarnych przewidywały, że tak właśnie może być, dopiero teraz jednak widzimy po raz pierwszy taki dysk na własne oczy.
Szacuje się, że planeta PDS 70c ma od jednej do 10 mas Jowisza. Jeśli w rzeczywistości jest to masa zbliżona do górnej granicy tego zakresu, obiekt raczej na pewno wytworzy własne księżyce. To duża gratka dla badaczy nieba, ponieważ z historii naszego Układu Słonecznego wiemy, że dyski materii wokół powstałych planet (w dyskach tych mogą rodzić się księżyce) bardzo szybko, bo po upływie ok. 10 mln lat, zanikają. W związku z tym w naszym Układzie takich dysków obserwować już nie możemy (wyjątek stanowi Saturn, którego dyski, a dokładnie pierścienie lodowe, powstały stosunkowo niedawno na skutek rozerwania przez grawitację planety niewielkich ciał lodowych przelatujących koło niej zbyt blisko), ale w układzie PDS 70 – jak najbardziej.
Od podczerwieni do optyki
Większość obserwacji obcych planet i obcych układów planetarnych, o których była mowa wyżej, została wykonana w zakresie podczerwieni. Zwłaszcza dalsze planety czy układy planet nie mogą być śledzone przez teleskopy optyczne, gdyż ich możliwości są jeszcze zbyt słabe. Jednak już niedługo i to się zmieni. Chodzi o trzy wielkie przedsięwzięcia naukowe, dzięki którym powstają trzy gigantyczne teleskopy ziemskie o niespotykanych do tej pory możliwościach, a mianowicie: Extremely Large Telescope (ELT), czyli Ekstremalnie Wielki Teleskop europejski, budowany i finansowany przez największą astronomiczną organizację świata – European South Observatory (ESO). Będzie on rzeczywiście ekstremalny: średnica głównego zwierciadła to – bagatela – 39 m! Koszt całości – sporo, bo ponad miliard euro. To monstrum stanie na wzgórzu Cerro Armazones na pustyni Atakama w Chile.
Druga inwestycja to Giant Magellan Telescope (Gigantyczny Teleskop Magellana), którego budowę rozpoczęto w Las Campanas, także na pustyni Atakama. W obserwatorium tym działa od lat słynny teleskop Magellana. Budowę finansuje konsorcjum naukowe złożone z kilku największych instytutów i uniwersytetów amerykańskich, australijskich, południowokoreańskich i brazylijskich. GMT będzie miał siedem połączonych zwierciadeł o średnicy 8,4 m każde.
Wreszcie trzeci gigant to tzw. Thirty Meter Telescope (teleskop trzydziestometrowy) – jego budowę rozpoczęto na wzgórzu Mauna Kea na Hawajach, na terenie obserwatorium, gdzie działa także bardzo znany i zasłużony teleskop Kecka. Jego lustro będzie miało średnicę, jak sama nazwa wskazuje, 30 m. Wszystkie one mają rozpocząć obserwacje w ciągu kilku lat. Co dzięki nim zobaczymy? Tim de Zeeuw, były wieloletni dyrektor generalny ESO, twierdzi, że mając ELT, będzie można dokonywać charakteryzacji egzoplanet wielkości Ziemi, które leżą w obcych układach słonecznych, inaczej mówiąc – zajrzeć na nie, a także badać populacje gwiazdowe w pobliskich galaktykach z tak dużą dokładnością, z jaką badamy dziś populacje gwiazd Drogi Mlecznej. Oko teleskopu pozwoli nam też wejrzeć głęboko w kosmos, a więc tym samym cofnąć się znacznie w czasie do początków istnienia wszechświata.
Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”