Naukowcy zajrzą do wnętrza egzoplanet

Nauka o egzoplanetach, czyli planetach krążących wokół gwiazd innych niż Słońce, rozwijała się stopniowo. Astronomowie najpierw próbowali potwierdzić ich obecność. Mimo, iż już w XIX wieku pojawiały się głosy mówiące o istnieniu egzoplanet, to pierwsza udana próba ich wykrycia nastąpiła dopiero w 1992 roku. Kolejnym krokiem była ich charakteryzacja. Dotychczas można było badać jedynie atmosferę egzoplanet, jednakże teraz naukowcy mają szansę dowiedzieć się również, z czego są one zbudowane.

„Nasze badania mają być pierwszą próbą spojrzenia wewnątrz planety poza Układem Słonecznym” – mówi Jakub Bochiński, doktorant Open University i główny autor badania, którego wyniki opublikowano w lutym na łamach The Astrophysical Journal Letters, oraz finalista tegorocznej polskiej edycji konkursu FameLab. „Co najciekawsze, ponieważ planeta, którą obserwujemy wydaje się być podobna do naszej, wnioski wynikające z jej obserwacji mogą stanowić ciekawy materiał porównawczy dla naukowców zajmujących się badaniami wnętrza Ziemi. Mamy nadzieję, że pomogą też odpowiedzieć na pytania dotyczące mechanizmu powstawania wszystkich planet. Jest to wciąż swego rodzaju tajemnica” - wyjaśnia Bochiński.

Kluczem do obserwacji tego typu jest światło pochodzące od gwiazdy, wokół której krąży planeta. Światło przechodzące przez atmosferę egzoplanety pozostawia specyficzny ślad, który można mierzyć z Ziemi przy pomocy metod spektroskopowych, czyli analizy promieniowania emitowanego, pochłanianego lub rozpraszanego przez obiekt fizyczny. Podobne podejście można zastosować, aby badać powierzchnie egzoplanet. Jednak jest jeden warunek. Powierzchnia planety musi odpowiednio mocno absorbować lub rozpraszać światło. Dobrymi kandydatami są w tym przypadku parujące planety, czyli takie, których wierzchnie warstwy unoszą się tworząc dużą chmurę pyłu.

Dlatego właśnie Jakub Bochiński razem z astronomami z uniwersytetów Warwick i Sheffield, skoncentrował się na badaniu niewielkiej planety KIC12557548b. Temperatura na jej powierzani osiąga 1800 st. C, co sprawia, że zewnętrzne warstwy ulegają ciągłemu niszczeniu. Powstający w wyniku parowania pył ciągnie się za KIC12557548b w postaci ogona podobnego do ogona komet. Krążąc wokół swojej gwiazdy egzoplaneta i otaczająca ją chmura pyłu regularnie blokuje część bijącego od niej światła. Ponieważ jeden rok na KIC12557548b trwa zaledwie 16 ziemskich godzin do zaćmienia jej słońca dochodzi bardzo często. Przez pięć dni astronomowie obserwowali KIC12557548b przy pomocy ulokowanego na szczycie La Palmy (Wyspy Kanaryjskie) teleskopu WHT (z ang. William Herschel Telescope) i podłączonego do niego superszybkiego aparatu ULTRACAM.

„Metoda, z której korzystamy, nazywa się fotometrią. Dosłownie - liczeniem fotonów. Interesuje nas ile fotonów i jakiego koloru emituje gwiazda lub absorbuje planeta” – tłumaczy Jakub Bochiński. Wyniki uzyskane dzięki ULTRACAM pozwoliły ustalić, że chmura pyłu pochłania trochę większe ilości światła niebieskiego niż czerwonego. Podobny efekt obserwujemy w trakcie zachodu Słońca na Ziemi, kiedy to światło naszej gwiazdy zostaje rozproszone przez cząsteczki pyłu w atmosferze, a efektem jest czerwono-pomarańczowy kolor. Prowadząc dokładne pomiary przy pomocy ULTRACAM naukowcy uzyskali już częściowe informacje na temat rozmiaru ziaren pyłu. Pasuje idealnie do rozmiaru pyłu międzygwiezdnego – pomiar wskazał około 0.25 - 1 mikrometra. Kolejnym etapem będzie poznanie chemicznej budowy ziaren tworzących chmurę. A skoro pył pochodzi ze skalistej powierzchni rozpadającej się egzoplanety, informacje dotyczące budowy jej powierzchni są w zasięgu ręki astronomów.

Magdalena Richter: Czy myślisz, że na egzoplanetach może istnieć życie?

Jakub Bochiński: Najnowsze wyniki badań, oparte na obserwacjach amerykańskiej sondy kosmicznej Kepler, wskazują na to, że w naszej galaktyce powinno znajdować się od 40 do 80 miliardów egzoplanet. Nawet jeśli zaledwie mała część z nich miałaby być podobna do Ziemi, pozostaje ogromna liczba planet, na których mogłoby istnieć życie. A to dopiero wierzchołek góry lodowej. W widzialnym wszechświecie, znajduje się około 100 miliardów galaktyk. Odpowiadając na pytanie o istnienie życia we wszechświecie z punktu widzenia czysto statystycznego, należałoby sobie zadać pytanie, jaka istnieje szansa na to, że na żadnej planecie poza naszą nie ma życia. Planetary Habitability Laboratory na Uniwersytecie Portorykańskim w Arecibo utrzymuje bazę danych takich planet, na których potencjalnie moglibyśmy znaleźć swój przyszły dom (http://phl.upr.edu/hec ). Lista zawiera obecnie prawie 30 planet, na których łatwiej byłoby znaleźć życie niż na Marsie. To sporo, szczególnie że większość z nich zostało odkryte zaledwie w ostatnich paru latach.

M.R.: W jaki sposób możemy więc potwierdzić, że na tych planetach istnieje życie?

J.B.: Najprawdopodobniej udałoby się udowodnić istnienie życia na paru umiarkowanych planetach, gdybyśmy kiedykolwiek odkryli dużą ilość wolnego tlenu w ich atmosferach. Tlen, pozostawiony sam sobie, ma tendencje do łatwego wchodzenia w reakcje z atomami innych pierwiastków, tworząc trudno rozkładalne związki chemiczne - tlenki. Astrobiologowie - biologowie zajmujący się badaniami dotyczącymi istnienia życia we wszechświecie - twierdzą, że życie jest jedynym zjawiskiem, które potrafiłoby uwalniać tlen szybciej niż ten wchodzi w związki, zapewniając jego wysoki poziom w atmosferze. Na Ziemi rolę tę spełniają rośliny i bakterie. Na innej planecie życie to może przybierać zupełnie obce nam formy.

Nie udało nam się jeszcze znaleźć planety o umiarkowanej temperaturze, której atmosfera zawierałaby duże ilości wolnego tlenu. Jeśli kiedyś nam się to powiedzie, będzie to jedno z ciekawszych odkryć w historii ludzkości.

M.R.: Gdzie pracujesz na co dzień? Jaki sprzęt jest potrzebny do prowadzenia obserwacji egzoplanet?

J.B.: Pracuję głównie na William Herschel Telescope, na szczycie La Palmy na Wyspach Kanaryjskich. Jest to teleskop optyczny średniego rozmiaru, o średnicy lustra 4.2 m, tzw. siła napędowa brytyjskiej astronomii. Podłączamy do niego superszybki aparat ULTRACAM, który robi do 100 zdjęć na sekundę, w trzech kolorach jednocześnie. Cały sprzęt obsługiwany jest przez konsorcjum trzech krajów (Wielka Brytania, Holandia i Hiszpania) oraz niezliczoną rzeszę uniwersytetów.

Metoda, z której korzystamy, nazywa się fotometrią. Dosłownie - liczeniem fotonów. Interesuje nas ile fotonów i jakiego koloru emituje gwiazda lub absorbuje planeta. Do tego potrzebny jest nam duży teleskop (im większa powierzchnia lustra, tym więcej zbierzemy fotonów) i czuły detektor (im czulszy, tym więcej ich zarejestrujemy). Połączenie dużego teleskopu WHT i bardzo czułego aparatu ULTRACAM, sprawdza się pod tym względem idealnie.

M.R.: Czy korzystasz z teleskopu zdalnie? Czy musisz jeździć tam, by prowadzić obserwacje?

J.B.: Często korzystam z małego, zdalnie sterowanego teleskopu PIRATE, zazwyczaj przygotowując się do pracy w większych obserwatoriach. W przypadku ważniejszych obserwacji na dużych teleskopach, zawsze warto zjawiać się na miejscu. Analizując później dane, łatwiej zrozumieć, skąd biorą się wszelakie "niespodzianki". Czy nagły rozbłysk gwiazdy wart jest publikacji, czy może stoi za nim coś tak trywialnego jak przejeżdżający w okolicy samochód, którego kierowca zapomniał zgasić światła? Astronom, który zna dobrze swoje obserwatorium, ma szanse uniknąć marnowania miesięcy na analizę takich właśnie przypadkowych sygnałów.

M.R.: Jakie znaczenie mają badania egzoplanet? Czy na ich podstawie możemy dowiedzieć się czegoś o naszym Układzie Słonecznym?

J.B.: Od 23 lat udaje nam się znajdować nowe planety poza Układem Słonecznym. Od około 7 lat potrafimy też powiedzieć coś na temat składu atmosferycznego niektórych z nich. Nasze badania mają być pierwszą próbą spojrzenia wewnątrz planety poza Układem Słonecznym. Co najciekawsze, ponieważ planeta, którą obserwujemy wydaje się być podobna do naszej, wnioski wynikające z jej obserwacji mogą stanowić ciekawy materiał porównawczy dla naukowców zajmujących się badaniami wnętrza Ziemi. Mamy nadzieję, że pomogą też odpowiedzieć na pytania dotyczące mechanizmu powstawania wszystkich planet. Jest to wciąż swego rodzaju tajemnica. Najlepsze symulacje komputerowe na świecie nie potrafią jeszcze wytłumaczyć, w jaki sposób powstał nasz Układ Słoneczny. Większość kończy się albo wyrzuceniem Ziemi w pustkę kosmosu albo jej spaleniem w Słońcu...

M.R.: Jakie są Twoje plany i kolejne kroki? Czy w przyszłości chcesz kontynuować badania egzoplanet?

J.B.: W pierwszej kolejności chcemy wraz z zespołem dokończyć analizę składu chemicznego planety KIC12557548b. Zarezerwowaliśmy w tym celu czas na William Herschel Telescope w czerwcu tego roku. Szczerze mówiąc, nie mogę się doczekać tego wyjazdu. Nie ma nic piękniejszego niż wschód słońca oglądany ze szczytu La Palmy po nocy spędzonej w białej kopule WHT.

Co do kolejnych kroków, rozglądam się właśnie za ofertami stażu podoktorskiego na różnych uniwersytetach w Europie. Chciałbym kontynuować badania w swojej dziedzinie. Jednocześnie bardzo lubię zajmować się popularyzacją nauki, więc będę pewnie szukał miejsc, które pozwolą mi połączyć obie pasje.

PAP – Nauka w Polsce, Magdalena Richter

ekr/ agt/

***

Tekst jest jednym z efektów programu Rzecznicy nauki, zorganizowanego przez Centrum Nauki Kopernik i Fundację British Council. Program umożliwia nawiązanie współpracy pomiędzy popularyzującymi wiedzę naukowcami, a dziennikarzami zajmującymi się sprawami nauki. Magdalena Richter w ramach Rzeczników nauki przygotowuje teksty o badaniach prowadzonych przez młodych naukowców, pracujących za granicą.