Gdy na początku 1992 r. Aleksander Wolszczan odkrył pierwsze planety pozasłoneczne, wielu astronomów traktowało je jako coś w rodzaju cielęcia z dwiema głowami. Nie dość, że zamiast normalnej gwiazdy obiegały rozsiewający zabójcze promieniowanie obiekt – pulsar, który przypominał jądro atomowe o rozmiarach Ziemi, to jeszcze nikt nie miał pojęcia, skąd się przy nim wzięły. Ich dziwaczność napawała jednak optymizmem, bo jeśli powstały i przetrwały w tak skrajnie niesprzyjającym środowisku – rozumowali naukowcy – to należy się spodziewać, że towarzyszą także zwykłym gwiazdom.
Rozumowanie było poprawne. 6 października 1995 r. Michel Mayor i Didier Queloz z Obserwatorium Genewskiego ogłosili odkrycie planety krążącej wokół bliźniaczo podobnej do Słońca gwiazdy 51 Pegasi, którą można dostrzec gołym okiem w jesiennym gwiazdozbiorze Pegaza. Nie obeszło się jednak bez zaskoczenia. Nowa planeta, którą nazwano 51 Pegasi b, miała wielkość Jowisza, ale obiegała swoje słońce po orbicie znacznie ciaśniejszej od orbity Merkurego. Rok trwał na niej 4,23 doby, a temperaturę jej atmosfery oszacowano na ponad 700˚C. Ten infernalny układ planetarny jest zaledwie 51 lat świetlnych od Słońca, czyli w skali kosmicznej tuż obok nas.
Czytaj także: Michel Mayor i Didier Queloz z Obserwatorium Genewskiego uhonorowani nagrodą Nobla 2019
Są ich tysiące
Dwaj Szwajcarzy tyleż zelektryzowali środowisko astronomiczne, co je spolaryzowali. „Takie coś po prostu nie może istnieć” – zawyrokowali teoretycy, którzy całą swoją wiedzę opierali na obserwacjach Układu Słonecznego. „To jakiś błąd w obserwacjach lub opracowaniu danych” – zawtórowało im wielu obserwatorów. Jednak już po kilku dniach obserwacje Mayora i Queloza zostały potwierdzone przez korzystający z własnych danych zespół amerykański. Ale nawet wtedy trudno byłoby znaleźć astronoma, który spodziewałby się, że już za 15 lat liczba znanych planet pozasłonecznych zbliży się do tysiąca.
Tak szybki postęp był możliwy dzięki prawdziwie pospolitemu ruszeniu, jakim naukowcy zareagowali na pojawienie się nowego pola badań. Liczba zespołów zajmujących się pozasłonecznymi układami planetarnymi idzie dziś co najmniej w dziesiątki, jeżeli nie w setki. Co więcej, okazało się, że do odkrywania planet nie potrzeba ani olbrzymich teleskopów, ani superdokładnych instrumentów – wystarcza sprzęt, na który z niesmakiem spojrzałby niejeden zaawansowany miłośnik astronomii. Owszem, najważniejszych odkryć nadal dokonują świetnie wyposażeni profesjonaliści. Ale stwierdzić, że jakąś niezbyt słabą gwiazdę obiega planeta wielkości Jowisza, da się już za pomocą zwykłego obiektywu o średnicy 10 cm i ogniskowej 30 cm (pod warunkiem, że jest on wyposażony w odpowiednią matrycę CCD).
Proste i tanie przyrządy nie rozpowszechniły się jednak od razu. Mayor i Queloz korzystali z teleskopu o średnicy 2 m, który współpracował z wysokiej klasy spektrografem. Nie zobaczyli jednak 51 Pegasi b (nikt nie zobaczył jej zresztą do dzisiaj). Jej obecność wykryli dzięki zjawisku zwanemu efektem Dopplera, które obserwujemy za każdym razem, gdy spotykamy jadący na sygnale ambulans. Ton zbliżającej się syreny jest wyższy niż nieruchomej względem nas, zaś oddalającej się – niższy. W pierwszym przypadku częstotliwość fal dźwiękowych rośnie; w drugim maleje. Tak samo zachowują się fale świetlne. Gdy źródło jednobarwnego światła (na przykład zielonego) zbliża się do nas, widzimy je jako nieznacznie „poniebieszczone”, zaś gdy się oddala – jako „poczerwienione”.
Co to ma wspólnego z układem 51 Pegasi? Otóż stwierdzenie: „planeta krąży wokół gwiazdy”, jest prawdziwe tylko w przybliżeniu. W rzeczywistości oba obiekty krążą wokół wspólnego środka masy. Gdyby Słońcu towarzyszył tylko Jowisz, środek masy tej pary byłby tuż nad powierzchnią naszej gwiazdy, która krążyłaby wokół niego z prędkością 12,5 m/s. Częstotliwość emitowanych przez nią fal świetlnych zmieniałaby się przy tym w granicach ±0,000004 proc., co dobrze obrazuje trudności techniczne związane z wykrywaniem takich ruchów. 51 Pegasi b zmusza swoją gwiazdę do krążenia z prędkością około 50 m/s. Zmiany częstotliwości są w tym przypadku czterokrotnie większe, ale i tak ich zmierzenie było wielkim sukcesem.
Najdokładniejsze przyrządy astronomiczne określają dziś częstotliwość fal świetlnych z dokładnością ±0,0000001 proc., co odpowiada mierzeniu odległości Warszawa–Kraków z błędem nieprzekraczającym jednej trzeciej milimetra. Można dzięki temu obserwować ruch z prędkością 1 m/s, a w praktyce – wykrywać planety o masie kilkakrotnie większej od masy Ziemi na orbitach równie ciasnych jak orbita 51 Pegasi b. To już jednak kres możliwości, który z jednej strony wyznaczony jest przez wahania warunków na powierzchni Ziemi, a z drugiej – przez chaotyczne ruchy w atmosferze obserwowanej gwiazdy. Astronomowie zamieszkujący jakąś pozasłoneczną planetę nigdy nie wykryliby w ten sposób Ziemi, która zmusza Słońce do krążenia z prędkością zaledwie 9 cm/s.
Poszukiwanie bliźniaczki
Możliwości wykrywania bliźniaczek naszej planety stwarza za to tzw. metoda tranzytów. Z tranzytem mamy do czynienia wtedy, gdy między obserwatorem i badaną gwiazdą przesuwa się obiekt, który na pewien czas blokuje część docierającego od niej światła. Gdyby planeta Mayora i Queloza przesuwała się między nami a 51 Pegasi, to co 4,23 doby jasność tej gwiazdy zmniejszałaby się o 1 proc., by po około 3 godz. powrócić do poprzedniego poziomu (niestety, układ 51 Pegasi jest ustawiony w przestrzeni w taki sposób, że do tego nie dochodzi). To właśnie tego typu zjawiska można bez trudu obserwować za pomocą niewielkiego teleskopu – trzeba tylko wiedzieć, gdzie i kiedy go skierować. Jedyna inna możliwość to często powtarzane mierzenie jasności bardzo wielu gwiazd w nadziei, że uda się wykryć okresowe przyciemnianie niektórych z nich spowodowane właśnie tranzytem.
Jak dotąd (dane z końca lipca) w obserwatoriach naziemnych odkryto obiema tymi metodami ponad 450 planet. Po uwzględnieniu tranzytów zaobserwowanych za pomocą orbitalnych teleskopów CoRoT i Kepler liczba ta wzrasta do około tysiąca. Ile dokładnie planet znamy w tej chwili – nie wiadomo. Za ten stan rzeczy odpowiada zespół Keplera, który w połowie czerwca ogłosił odkrycie ponad 700 „kandydatów na planety”, ale podał dane tylko 306, zachowując najciekawsze obiekty na własny użytek i oświadczając, że dokładniejszych informacji o nich udzieli w lutym 2011 r. W środowisku astronomicznym wzbudziło to falę krytyki, która jednak nie zmieniła stanowiska „keplerowców”.
HD 172555
Ale i bez odkryć Keplera wiedza o pozasłonecznych układach planetarnych jest już tak rozległa, że umożliwia pewne uogólnienia. Przede wszystkim 51 Pegasi nie jest wyjątkiem. Wielkich planet krążących tak blisko swoich gwiazd, że rok trwa na nich najwyżej kilka dni, znamy już kilkadziesiąt. Ponieważ temperatury ich atmosfer z reguły przekraczają 700˚C, nazwano je „gorącymi jowiszami”. Układy planetarne z takimi obiektami w niczym nie przypominają naszego Układu Słonecznego i ich odkrycie było wielką niespodzianką. Szybko jednak okazało się, że nie jedyną.
Wszystkie planety naszego układu krążą wokół Słońca w tę samą stronę, w którą obraca się ono wokół własnej osi. Takie są też przewidywania potwierdzonej wieloma obserwacjami teorii, zgodnie z którą gwiazda i jej planetarna rodzina powstają z wirującego obłoku o kształcie dysku. Pięć „gorących jowiszów” wyłamuje się jednak z tej reguły i obiega swoje gwiazdy „pod prąd”. Oznacza to, że w ich układach planetarnych musiały zdarzyć się jakieś kosmiczne katastrofy, spowodowane na przykład bliskim przejściem planet obok siebie lub spotkaniem z sąsiednią gwiazdą. Bardzo burzliwą przeszłość musiał też mieć układ And (ypsilon Andromedy), w którym orbity dwóch zewnętrznych planet są do siebie nachylone pod kątem 30 stopni. (W Układzie Słonecznym planety krążą prawie dokładnie w jednej płaszczyźnie – wyjątkiem jest Merkury, którego orbita odchyla się od niej o 7 stopni). Astronomowie obwiniają o ten bałagan niewielką gwiazdę związaną z And w parę, której składniki okrążają się po bardzo wydłużonej orbicie, zbliżając się do siebie co kilkadziesiąt tysięcy lat.
Bodaj najświeższe ślady katastrofy widać w powstałym zaledwie 10–12 mln lat temu układzie HD 172555 (nasz ma już 4,5 mld lat): zaobserwowano w nim duże ilości gazowego tlenku krzemu oraz złożonego głównie z amorficznych krzemianów pyłu, a także oznaki występowania rumoszu skalnego przypominającego górskie piargi. Astronomowie są niemal pewni, że doszło tam do zderzenia dwóch obiektów, których łączna masa była ponad dwukrotnie większa od Księżyca. Najtragiczniejszy los spotkał jednak planety WASP 12b i HD 209458b. Ta pierwsza jest „wysysana” przez swoją gwiazdę, która zabiera jej miliard ton materii w ciągu sekundy. Jeśli takie tempo się utrzyma, to po niespełna 100 mln lat planeta po prostu zniknie. Druga z wymienionych planet jest natomiast przez swoją gwiazdę odparowywana: w ciągu sekundy ulatnia się z niej kilkadziesiąt tysięcy ton gazu układającego się w gigantyczny ogon kometarny.
Wszytko w gestii Keplera
Nie takich odkryć oczekiwano, kiedy zaczynała się wielka przygoda z planetami pozasłonecznymi. Powszechne było przekonanie, że inne układy planetarne są podobne do naszego i równie jak on stabilne. Okazało się jednak, że kosmiczną normą jest kataklizm, a dłuższy okres spokoju to wyjątek. Mało tego: ani jeden z przebadanych układów planetarnych nie przypomina naszego – najmniejsza z dobrze udokumentowanych planet ma masę pięciokrotnie większą niż Ziemia, a temperatura jej skalistej powierzchni przekracza 1700˚C.
Jak więc wyglądają szanse znalezienia światów podobnych do naszej planety? Na to pytanie może odpowiedzieć tylko Kepler – jedyny dostępny dziś przyrząd osiągający czułość i dokładność niezbędną do wykrywania obiektów wielkości Ziemi. Zawiadujący nim zespół zachowuje informacyjną wstrzemięźliwość, ale dzięki niedawnej (wydaje się, że zamierzonej) niedyskrecji jednego z jego członków usłyszeliśmy, że nasza Galaktyka aż się od nich roi. Tym niedyskretnym naukowcem był Dimitar Sasselov z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge (USA), który w lipcu podczas konferencji popularnonaukowej podkreślił, że wśród planetarnych kandydatów Keplera zdecydowanie dominują obiekty wielkości Ziemi. Co więcej, przedstawił analizy statystyczne, zgodnie z którymi liczba planet potencjalnie nadających się do zamieszkania sięga stu milionów, i zapowiedział, że w ciągu dwóch lat Kepler znajdzie co najmniej 60 z nich.
Podniosła się wrzawa medialna, którą sam Sasselov próbował uciszyć tłumacząc, że miał za mało czasu, by wszystko dokładnie wyjaśnić. Nie zrobił jednak tego zbyt przekonująco. Zresztą – co naprawdę znalazł Kepler, przekonamy się w lutym, kiedy zespół ujawni dane reszty obiektów, na które na razie zapewnił sobie monopol.