Gdzie nie spojrzeć, tam superziemia

Istnieje kilka typów planet: małe skaliste i bliskie macierzystych gwiazd (przykładem są Merkury, Wenus, Ziemia i Mars), olbrzymy gazowe jak Jowisz i Saturn oraz olbrzymy lodowo-gazowe jak Neptun i Uran. Superziemie to skaliste (mogą zawierać też lód wodny) planety o masach pomiędzy masą Ziemi a Neptuna (ok. 17 Ziem). Do tej pory dzięki kosmicznym teleskopom (Keplera i TESS) odkryto sporo takich obiektów leżących bardzo blisko swoich gwiazd. Łatwo je namierzyć metodą tranzytu, gdy planeta przechodzi na tle tarczy swojej gwiazdy i wywołuje jej pociemnienie, co widać właśnie przez wymienione teleskopy.

W kwietniu br. ukazał się w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Science” artykuł o tym, że wiele takich superziem znajduje się także w dużych odległościach od ich gwiazd, czyli kilku, a nawet dziesięciu jednostek astronomicznych (jednostka astronomiczna to odległość Ziemi od Słońca, czyli 150 mln km). Ich okresy orbitalne są zatem bardzo długie – rzędu kilku, a nawet kilkunastu lat (w przypadku planet odkrywanych metodą tranzytu pełen obieg trwa kilkanaście dni). Obecność superziem wykazano dzięki metodzie obserwacyjnej zwanej mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. Jednocześnie udało się dowieść, że takich właśnie planet jest w naszej galaktyce najwięcej. Co trzecia gwiazda w Drodze Mlecznej, jeśli tylko posiada planety, ma wśród nich taką superziemię lub nawet kilka tego typu obiektów. W Układzie Słonecznym takiej planety jednak nie znajdziemy, co może nieco dziwić, ale nasz układ jest w ogóle dość nietypowy, i to z wielu względów.

Soczewkowanie grawitacyjne

Grawitacja masywnych obiektów, obok których światło biegnie ku nam od ciał kosmicznych leżących jeszcze dalej, zakrzywia przestrzeń i działa jak gigantyczna soczewka, skupiająca to światło i je wzmacniająca. Istnieją trzy typy soczewkowania grawitacyjnego: silne, słabe oraz mikro. Silne soczewkowanie pozwala na detekcję obiektów bardzo odległych, np. kwazarów, a obserwowany obiekt wyraźnie jaśnieje i zostaje zniekształcony. Pojawia się w formie łuków lub pierścieni, a nawet w kilku obrazach naraz. Szczególnym przypadkiem silnego soczewkowania jest mikrosoczewkowanie, kiedy da się zmierzyć pojaśnienie odległego obiektu, ale zazwyczaj nie można rozdzielić powstałych jego obrazów, bo odległość kątowa między nimi jest zbyt mała w porównaniu z możliwościami współczesnych teleskopów.

„Dzięki metodzie mikrosoczewkowania uzyskano już informacje o częstości występowania masywnych planet typu jowiszowego na dalekich orbitach, czyli znacznie oddalonych od gwiazd. Wciąż jednak niewiele wiedzieliśmy na temat występowania w tych obszarach mniej masywnych planet – typu superziemi. Podjęliśmy się więc scharakteryzowania takich ciał” – mówi dr Przemysław Mróz, jeden ze współautorów artykułu opublikowanego w „Science”, pracujący przy eksperymencie OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment, czyli Eksperyment Soczewkowania Grawitacyjnego), realizowanym od ponad 33 lat w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego. OGLE to jeden z największych współczesnych przeglądów nieba i systematycznej obserwacji fotometrycznej ogromnych jego obszarów. „Do odnalezienia wielu superziem przyczyniły się tzw. mikrosoczewkowe anomalie, wywołane przez małomasywne planety. Anomalie te trwają zwykle zaledwie około jednego dnia i wymagają ciągłych całodobowych obserwacji. Do dalszej analizy własności odległych superziem wykorzystano dane nowo odkrytej planety w zjawisku OGLE-2016-BLG-0007 oraz 62 innych małomasywnych planet, znalezionych wcześniej w zjawiskach mikrosoczewkowania z lat 2016–2019. Były one obserwowane przez koreański projekt KMTNet (Korea Microlensing Telescope Network) oraz w ramach naszego projektu OGLE. 38 z tych zjawisk mikrosoczewkowania zostało odkrytych przez nas”.

„Wielką zaletą mikrosoczewkowania grawitacyjnego – objaśnia dalej dr Mróz – jest to, że pozwala namierzać obiekty, które są ciemne i nie do odnalezienia za pomocą zwykłych technik obserwacyjnych. Należą do nich np. niektóre planety pozasłoneczne, a także obiekty zwarte, m.in. czarne dziury lub gwiazdy neutronowe. W tych przypadkach odkrywa się i śledzi przede wszystkim obiekty soczewkujące, a nie soczewkowane. Jeśli chodzi o obce planety, to inne sprawdzone sposoby ich wykrywania, czyli metodą tranzytu lub badania prędkości radialnej gwiazd, są dobre dla planet położonych bardzo blisko swoich macierzystych gwiazd. Natomiast mikrosoczewkowanie najlepiej odnajduje egzoplanety leżące o kilka lub nawet kilkanaście odległości dzielących Ziemię od Słońca. Czyli daleko. To są obszary, w których właśnie metoda ta wykazuje największą czułość”.

W dużym uproszczeniu wygląda to tak, że badacze nieba obserwują odległe źródło światła. Jeśli między nim a nami istnieje jeszcze inny obiekt, np. układ planetarny, jego grawitacja ugina przestrzeń wokół, wobec czego obraz dalekiego źródła zostaje wzmocniony. Obiekt ten, czyli gwiazda z planetami, działa jak mikrosoczewka, gdy wszystkie elementy układu – a więc odległe źródło, soczewkujący układ planetarny i obserwator – są ustawione względem siebie w linii prostej. W takiej sytuacji dochodzi też do bardzo silnego pojaśnienia gwiazdy-źródła. Główne pojaśnienie jest spowodowane obecnością gwiazdy-soczewki. Jasność źródła szybko i ogromnie wówczas rośnie, po czym – osiągnąwszy maksimum – zaczyna maleć. Ale obok wystrzeliwującego blasku gwiazdy może pojawić się też mniejsze i krótsze pojaśnienie, wywołane obecnością planety. To jest właśnie wspomniana wcześniej anomalia. Na jej podstawie można dość dokładnie określić masę planety oraz okres orbitalny. Im mniejsza planeta, tym anomalia, czyli dodatkowe pojaśnienie pochodzące od niej, trwa krócej. W przypadku ogromnych planet utrzymuje się kilka dni, a mniejszych obiektów – jedynie kilka godzin. Tak właśnie astronomom z projektów polskiego OGLE, koreańskiego KMTNet i nowozelandzko-japońskiego MOA udało się odkryć wiele superziem, które są znacznie oddalone od swoich gwiazd.

O narodzinach planet

„Wydaje się, że w układach planetarnych naszej galaktyki dominują dwie populacje planet: planety olbrzymie i superziemie” – mówi dr Mróz. „Prawdopodobnie formują się tak jak planety Układu Słonecznego, a więc z zalążków planet, czyli planetozymali, które łączą się, tworząc w rezultacie protoplanetę. Jeśli w jej pobliżu znajduje się wystarczająco dużo gazu, może ona ściągać ogromne jego ilości w procesie akrecji i urosnąć. Ten proces przebiega bardzo szybko i w pewnym stopniu sam się napędza; dotyczy olbrzymich planet gazowych typu Jowisza czy Saturna. W przypadku lodowo-skalistych planet o masach pomiędzy masą Ziemi a Neptuna – nie miały one możliwości ściągania i kumulowania gazu z otoczenia. Nie zdołały zatem urosnąć do mas olbrzymów. Jest jeszcze jedna koncepcja poważnie brana pod uwagę: że najmasywniejsze planety powstają podobnie jak gwiazdy, czyli w wyniku zapadania się materii dysku protoplanetarnego pod własnym ciężarem. Tak właśnie formują się gwiazdy – w wyniku kolapsu części obłoku molekularnego. I podobnie mogłyby tworzyć się największe planety – w wyniku zapadnięcia się części materii dysku otaczającego młodą gwiazdę”.