Noworoczna sensacja: planeta samotniczka namierzona i „zważona”

W teorii takich planet może być wiele, a zdaniem niektórych badaczy – nawet więcej niż planet uwięzionych w swoich macierzystych układach gwiazdowych. Tacy samotnicy mogli zostać wypchnięci w przestrzeń międzygwiazdową w trakcie formowania się układów planetarnych. Innych wytrąciła z równowagi i pozbawiła towarzystwa przechodząca w pobliżu gwiazda. Kolejnych pozbył się brutalnie niestabilny układ dwóch lub trzech gwiazd. Najwięksi mogą być nie tyle planetami, ile niedoszłymi gwiazdami, którymi nie stały się z powodu zbyt małej masy.

Ugięcie i wzmocnienie, czyli skuteczne polowanie

Jak jednak namierzyć taki zagubiony gdzieś na Drodze Mlecznej obiekt, zwłaszcza jeśli ma niewielkie rozmiary? Emisja światła jest w jego przypadku tak znikoma, że nie sposób dostrzec go bezpośrednio przez teleskop. Jego obecność dałoby się wykryć, gdyby był związany z jakąś gwiazdą i przeszedł na jej tle, lecz tutaj żadnej gwiazdy nie ma. Pozostaje tylko jeden, przynajmniej na razie, sposób pozwalający namierzyć taką planetę swobodną, jak określa się tego typu obiekty. Wykorzystuje on zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego, zachodzące wówczas, gdy światło bardzo odległej gwiazdy zostaje ugięte i wzmocnione przez pole grawitacyjne obiektu znajdującego się bliżej obserwatora. Zachowując się niczym soczewka, zdradza swoją obecność, mimo że sam nie emituje światła. Wystarczy, że przez pewien czas skupi i skieruje w naszą stronę światło gwiazdy leżącej daleko za nim. Takie zjawisko może trwać od kilku godzin do kilkudziesięciu dni, a jego czas trwania zależy przede wszystkim od masy tej ukrytej w mroku grawitacyjnej „soczewki”.

Polowanie na planety swobodne z wykorzystaniem mikrosoczewkowania grawitacyjnego rozpoczęło się już jakiś czas temu. Biorą w nim udział również naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, gdzie od ponad trzech dekad realizowany jest projekt Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), którym od początku kieruje prof. Andrzej Udalski. W 2017 r. jego zespół opublikował na łamach „Nature” wyniki poszukiwań planet swobodnych opartych na obserwacjach ok. 50 mln gwiazd. Teleskop skierowano w stronę centrum Drogi Mlecznej, rejestrując kilka tysięcy zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego. „Obserwacje wskazywały, że planet swobodnych może być faktycznie dużo, przy czym powinny to być w większości obiekty o względnie małej masie, a nie takie o masach rzędu masy Jowisza, jak wcześniej przypuszczano” – mówi dr Przemek Mróz, pierwszy autor tamtej publikacji.

Niedługo później odkryto pierwsze obiecujące kandydatki na planety swobodne. Problem polegał jednak na tym, że aby określić masę takiego obiektu, a tym samym potwierdzić, iż jest on planetą, a nie na przykład brązowym karłem, należało wiedzieć, jak daleko znajduje się on od nas. Tego parametru nie udawało się dotąd zmierzyć. Dlatego, choć astronomowie byli generalnie przekonani o istnieniu planet swobodnych, brakowało im twardych dowodów. Nie znając odległości do „soczewek”, nie byli w stanie określić ich rozmiarów.

Szczęście i precyzja, czyli droga do przełomu

Przełom przyniosły obserwacje przeprowadzone 3 maja 2024 r. Tego dnia teleskop projektu OGLE, zlokalizowany w północnym Chile, a także teleskopy koreańskiej sieci KMTNet zarejestrowały zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego jasnej gwiazdy znajdującej się w centrum Galaktyki. Dane sugerowały, że „soczewką” może być planeta swobodna. Okazało się również, że w ten sam fragment nieba wpatruje się europejska sonda Gaia, znajdująca się w odległości ok. 1,5 mln km od Ziemi. Badacze mieli sporo szczęścia – Gaia wykonała bowiem sześć pomiarów w ciągu 15 godzin, rejestrując kolejne fazy uginania i wzmacniania światła przez potencjalną planetę. Równoczesne obserwacje z Ziemi i z odległego satelity stworzyły unikatową możliwość wyznaczenia odległości do obiektu. Zastosowana metoda była bardzo zbliżona do dobrze znanej triangulacji, polegającej na określeniu dystansu do punktu na podstawie pomiarów z dwóch różnych miejsc oraz kąta między nimi.

Znając odległość do „soczewki”, naukowcy z UW, wspólnie z badaczami z kilku innych krajów – zespołem kierowali Andrzej Udalski, Subo Dong z Chin oraz Chung-Uk Lee z Korei Południowej – mogli pierwszy raz precyzyjnie określić masę takiego obiektu. Ustalono, że wynosi ona 0,22 masy Jowisza. Oznacza to, że obiekt jest nieco mniejszy od Saturna i ok. 70 razy masywniejszy od Ziemi. Ponieważ mimo intensywnych poszukiwań nie znaleziono żadnych śladów obecności potencjalnej gwiazdy macierzystej w promieniu ponad dwudziestu jednostek astronomicznych wokół planety, z bardzo dużym prawdopodobieństwem można uznać, że jest to pierwsza precyzyjnie „zważona” planeta swobodna – twierdzą badacze. Wyniki ich badań zostały właśnie opublikowane na łamach tygodnika „Science”. „Odkrycie i bezpośrednie wyznaczenie masy planety swobodnej stanowi przełom w badaniach egzoplanet. To odkrycie dekady, porównywalne z identyfikacją pierwszych udokumentowanych planet pozasłonecznych w latach 90. XX w. Wreszcie mamy pewność, że tego typu samotne obiekty istnieją we Wszechświecie” – komentuje prof. Udalski.

Z przestrzeni i z Ziemi, czyli metoda na poszukiwanie maleństw

Niewykluczone, że już wkrótce dowiemy się znacznie więcej na temat takich „wolnych elektronów”. Trwają bowiem ostatnie przygotowania do misji Nancy Grace Roman Space Telescope, której start zaplanowano na wiosnę 2027 r. Sonda zostanie umieszczona przez NASA w tym samym punkcie przestrzeni kosmicznej, w którym przez kilkanaście lat pracowała Gaia.

Nowy teleskop kosmiczny będzie przeszukiwał niebo w podczerwieni z prędkością tysiąc razy większą niż Teleskop Hubble’a. Astronomowie spodziewają się, że dzięki intensywnym i precyzyjnym obserwacjom prowadzonym jednocześnie z Ziemi i z odległej orbity uda się wkrótce odkryć tysiące planet swobodnych, w tym również takie maleństwa, których masa będzie mniejsza od masy Ziemi.