Badania naukowe

Czy w naszej Galaktyce są planety, o których istnieniu nie mieliśmy dotąd pojęcia? 
Nie jest to wykluczone. Wszystko zależy od wyników badań astronomów 
z Uniwersytetu Warszawskiego. Jeśli dokonane przez nich odkrycie zostanie 
potwierdzone, będzie to jeden z najbardziej znaczących sukcesów w polskiej nauce.

Mariusz Karwowski

Polscy „łowcy planet” już teraz są na ustach całego świata astronomicznego. Nic dziwnego, wszak wyniki ich pracy dotyczą jednej z najgorętszych, a przy tym stanowiących największą obecnie zagadkę, dziedzin współczesnej astrofizyki. I choć sami Polacy skromnie przyznają, że astronomowie z całego świata odnieśli się do ich osiągnięcia bardzo sympatycznie i życzliwie, to dla nikogo nie jest tajemnicą, że tak naprawdę wszyscy z napięciem oczekują tego, co stanie się w ciągu kilku najbliższych miesięcy. Jedno jest pewne: poszukiwanie pozasłonecznych systemów planetarnych nabrało tempa. Oryginalny polski projekt OGLE stanowi w dotychczasowych dokonaniach na tym polu ogromny przełom.

ANALOGICZNE PRZEJŚCIA

OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), czyli Eksperyment Optycznego Soczewkowania Grawitacyjnego, został opracowany w 1992 roku. Polega on na permanentnym monitoringu nieba, a konkretnie na systematycznej, w skali wielu lat, fotometrii kilkuset milionów gwiazd w kierunku centrum Galaktyki. Zasadniczym celem programu było wykrycie zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego, które już na początku ubiegłego wieku przewidział Albert Einstein. Wtedy jednak, z uwagi na ograniczone możliwości techniczne, potwierdzenie tych domysłów okazało się zbyt trudne.

– Zjawisko to polega na charakterystycznym pojaśnieniu gwiazdy w momencie, gdy dokładnie na linii łączącej ją z obserwatorem znajdzie się jakiekolwiek ciało obdarzone masą. Wywołując odkształcenie otaczającej przestrzeni, działa ono przez pewien czas jak soczewka skupiająca światło i zwiększająca jasność obserwowanej gwiazdy. Analizując zmiany jasności możemy wnioskować o właściwościach ciał, nawet niewidocznych, wywołujących te pojaśnienia – wyjaśnia prof. dr hab. Marcin Kubiak z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.

Wykorzystując tę metodę polski zespół pod kierunkiem prof. Andrzeja Udalskiego stworzył gigantyczną bazę danych fotometrycznych, która posłużyła do wykonania licznych programów wtórnych, wśród których najważniejsze są: rewizja skali odległości we wszechświecie, wykrycie setek tysięcy nowych gwiazd zmiennych, wykrycie tzw. „przegrody” w naszej Galaktyce oraz ostatnio tzw. „tranzytów”, które mogą być planetami. Właśnie to ostatnie odkrycie, ze względu na jego unikalność, budzi w tej chwili największe emocje. Cóż to takiego są tranzyty? To nic innego, jak przejścia obiektów o znikomej jasności na tle tarcz macierzystych gwiazd należących do dysku naszej Galaktyki. Astronomowie z UW dokonali odkrycia 46 zjawisk takich przejść. Ich odpowiednikami są obserwowane już od dość dawna przejścia Merkurego czy Wenus na tle tarczy słonecznej. Ta analogia stwarza duże prawdopodobieństwo, że odkryte obiekty mogą też być planetami.

– Odkrycia słabo świecących obiektów są niezwykle cenne z punktu widzenia współczesnej astronomii, ale całe zagadnienie nie ogranicza się jedynie do poszukiwania planet – mówi prof. Udalski. – Równie ważne są informacje o własnościach brązowych karłów, czyli gwiazd, które w momencie powstawania były zbyt mało masywne, by w ich wnętrzu doszło do zapalenia wodoru. Niewiele też wiadomo o gwiazdach karłowatych, a więc takich, których masa minimalnie przekroczyła granicę niezbędną do powstania warunków zapalenia paliwa jądrowego.

CISZA PRZED BURZĄ

Poszukiwania tych obiektów mogą być prowadzone dwiema metodami. W spektroskopowej, stosowanej z powodzeniem od drugiej połowy lat 90., dokonuje się precyzyjnych pomiarów przesunięć linii w widmach pobliskich gwiazd. Przesunięcia te są wynikiem efektu Dopplera, powodowanego przez oddziaływanie grawitacyjne niewidocznej planety na macierzystą gwiazdę, która porusza się po określonej orbicie wokół wspólnego z planetą środka masy. W wyniku tego ruchu obserwujemy bądź jej oddalanie się od nas – wówczas linie przesuwają się ku czerwonemu krańcowi widma, bądź przybliżanie – linie przesuwają się ku niebieskiemu krańcowi widma. Do dziś odkryto w ten sposób ok. 80 planet, wyznaczono także ich okresy orbitalne oraz minimalne masy.

Ale, jak pokazuje sukces projektu OGLE, możliwe jest odkrywanie planet i słabo świecących obiektów również metodą fotometryczną. Przewidywano to już zresztą od dawna, ale przeprowadzenie dostatecznie precyzyjnych pomiarów wykazujących zjawisko tranzytu kończyło się z reguły niepowodzeniem. O skali trudności najlepiej może świadczyć fakt, że nawet w przypadku tak dużej planety, jak Jowisz, osłabienie blasku macierzystej gwiazdy, a więc Słońca, w trakcie tranzytu wynosi zaledwie ok. 1 proc. Przy pomiarach prowadzonych z powierzchni Ziemi jest to więc na granicy wykrywalności. Co więcej, prawdopodobieństwo zaobserwowania tranzytu w przypadku planety na orbicie zbliżonej do jowiszowej jest znikome, gdyż wymaga korzystnego ustawienia orbity planety w przestrzeni. Niebagatelne znaczenie ma też to, iż zjawisko w tym przypadku trwa bardzo krótko (około doby) w porównaniu z okresem orbitalnym (kilkanaście lat).

Prawdopodobieństwo zaobserwowania tranzytu rośnie jednak znacząco (do 10 proc.), w przypadku planet zwanych „gorącymi Jowiszami”. Krążą one w niewielkich odległościach od macierzystych gwiazd, bliżej niż Merkury od Słońca. Wśród wspomnianych 80 planet odkrytych metodą spektroskopową znalazła się właśnie grupa „gorących Jowiszów”. To stało się impulsem do rozpoczęcia na tych obiecujących obiektach prób metodami fotometrycznymi. Silnie umotywowane liczne grupy astronomów przystąpiły do prac w tym zakresie. Niestety, pełna mobilizacja nie przełożyła się na konkretne wyniki. Wprawdzie przed 3 laty dwa zespoły astronomów amerykańskich równocześnie ogłosiły odkrycie tranzytu planetarnego gwiazdy HD209458, ale od tamtej pory dalsze intensywne poszukiwania przejść w różnych obszarach nieba nie przynosiły żadnych rezultatów. Aż do lutego tego roku, kiedy to poinformowano o rewolucyjnym odkryciu polskich „łowców planet”.

– Bez zbytniej skromności mogę powiedzieć, że wyniki projektu OGLE stanowią ogromny przełom – z dumą przyznaje prof. Kubiak. – Dowodzą bowiem, że możliwe jest dokonywanie niezwykle precyzyjnych pomiarów fotometrycznych z powierzchni Ziemi i masowe wykrywanie zjawisk tranzytu. Stanowią one jednocześnie nową, niezależną od dotychczas stosowanych, metodę odkrywania planet i innych małomasywnych obiektów.

POLSKO-CHILIJSKI KLIMAT

Obserwacje mające na celu poszukiwanie tranzytów prowadzone były przez 32 noce w okresie od czerwca do lipca ub. roku za pomocą teleskopu warszawskiego w obserwatorium Las Campanas w chilijskiej prowincji La Serena. Teleskop ten, o średnicy 1,3 m, wyposażony w kamerę elektroniczną, nie przez przypadek został umieszczony w obserwatorium w Andach Chilijskich. Północne rejony tego kraju mają bowiem najlepszy na świecie klimat astronomiczny – niemal w ogóle nie występuje tam zachmurzenie, a powietrze jest suche i spokojne. Tak doskonałe warunki obserwacyjne sprawiają, że zlokalizowano tam wiele obserwatoriów. Poza tym, w Chile polska astronomia cieszy się sporym uznaniem. W otwartym niedawno obserwatorium publicznym w Mamalluca znajduje się nawet specjalna sala im. Mikołaja Kopernika.

Średnica teleskopu została dobrana specjalnie pod kątem optymalnych kosztów i efektywności prowadzonego programu obserwacji. Skutkiem tego polska metoda jest dużo tańsza od badań realizowanych za pomocą wielkich urządzeń, których czas pracy jest niezwykle kosztowny. A trzeba przy tym pamiętać, że przecież nie ma gwarancji, iż obiekt, któremu poświęcana jest uwaga i czas, okaże się planetą. Dość powiedzieć, że w celu znalezienia zjawisk tranzytu grupa prof. Udalskiego dokonała precyzyjnych pomiarów jasności ponad 52 000 gwiazd znajdujących się w dysku galaktycznym Drogi Mlecznej. Poszukiwano zmian jasności mniejszych niż 0,08 wielkości gwiazdowej. Wybrany do obserwacji obszar znajduje się w gwiazdozbiorze Strzelca, przy granicy ze Skorpionem i Wężownikiem. Jasności gwiazd w tym obszarze były mierzone ok. 800 razy z dokładnością lepszą od 1,5 proc. Na tej podstawie znaleziono 46 gwiazd, którym towarzyszą słabo świecące ciała wywołujące zjawiska tranzytów. 42 z nich udało się wyznaczyć okres orbitalny.

– Przeprowadzona przez nas analiza zgromadzonych danych wykazuje, że zaobserwowane przypadki tranzytów mogą być wywołane przez planety jowiszopodobne, brązowe karły lub bardzo małomasywne i słabo świecące chłodne gwiazdy karłowate. Dokładny status poszczególnych obiektów zostanie określony dopiero po dokonaniu niezbędnych, i w tym przypadku ułatwionych, pomiarów prędkości radialnych. Wykonać je jednak mogą tylko grupy dysponujące odpowiednio skonstruowanymi spektrografami. Wówczas będzie możliwe określenie precyzyjnych parametrów, jak promień, masa czy gęstość. Według naszych informacji, obserwacje takie już są lub będą wkrótce rozpoczęte, jednak już teraz można stwierdzić, że w kilku przypadkach zaobserwowane zjawiska są wywołane przez ciała o rozmiarach rzędu Jowisza – podkreśla prof. Kubiak.
Warto dodać, że odkrycie zjawisk tranzytów jest pierwszym sukcesem trzeciej fazy działalności zespołu (OGLE-III). Pierwotnym celem projektu było poszukiwanie ciemnej materii, wykrywanej dzięki obserwacjom zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego w kierunku centrum Galaktyki. O odkryciu pierwszych zjawisk tego typu informowano już w rok po uruchomieniu programu. Do dziś wykryto kilkaset takich zjawisk. Od 8 lat obserwacje w ramach projektu OGLE prowadzone są za pomocą warszawskiego teleskopu fotometrycznego znajdującego się w Chile. Uruchomienie całej aparatury, wykonanej w Obserwatorium Astronomicznym UW, rozpoczęło drugą fazę projektu (OGLE-II). W jej trakcie wykazano m.in., że skala odległości we wszechświecie jest o 10 proc. mniejsza niż dotychczas sądzono, odkryto setki tysięcy gwiazd zmiennych oraz przeprowadzono analizę milionów gwiazd o stałym blasku w pobliskich galaktykach (Obłoki Magellana) i centrum naszej Galaktyki. Znamienne jest, iż z rezultatów prac polskich astronomów skorzystali już inni. To właśnie uzyskane przez OGLE-II wyniki obserwacji gwiazd pulsujących (cefeid) w Obłokach Magellana stanowią podstawę dla amerykańskiego zespołu zajmującego się wyznaczaniem skali odległości we wszechświecie i stałej Hubble’a.

POŁĄCZONE OGNIWA

– W czerwcu ubiegłego roku nasz projekt wszedł w trzecią fazę – mówi prof. Udalski. – Używana dotąd aparatura pomiarowa została zastąpiona przez instrument nowej generacji, skonstruowany również w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego. Jest to unikalny w skali światowej przyrząd – mozaikowa, szerokokątna kamera CCD zawierająca około 65 milionów elementów światłoczułych. Dzięki temu właśnie mogliśmy pokusić się o obserwacje spadku jasności gwiazd, powodowanego przez przejście na tle ich tarczy ciemniejszego obiektu, którym może być planeta.

Obecnie w skład zespołu OGLE, oprócz prof. Andrzeja Udalskiego i prof. Marcina Kubiaka, wchodzą: dr Michał Szymański, dr Grzegorz Pietrzyński, mgr Karol Żebruń, mgr Igor Soszyński, mgr Łukasz Wyrzykowski oraz mgr Olaf Szewczyk. Pracownicy Obserwatorium Astronomicznego UW odpowiadają za cały projekt, ale nie są jego jedynymi ogniwami. Ważną rolę odgrywa też pracujący na stałe w Obserwatorium Uniwersytetu Princeton polski astronom prof. Bohdan Paczyński, z którym utrzymywane są ścisłe związki merytoryczne. Obserwatorium to uczestniczy również w niektórych kosztach aparaturowych. Nieoceniona jest też pomoc Obserwatorium Las Campanas, należącego do Carnegie Institution of Washington, które udostępnia bezpłatnie miejsce pod teleskop oraz, w cenie realnych kosztów, całą infrastrukturę (łączność, energię, wodę itp). Obraz z Chile przekazywany jest drogą internetową do obserwatoriów w Warszawie i Princeton. Tam poddawany jest analizie.

Ostateczne potwierdzenie tożsamości ciemnych obiektów w obserwowanych systemach nastąpi w ciągu kilku miesięcy. Nie tylko polscy astronomowie będą na to czekali z dużą niecierpliwością. Efekt ich prac jest imponujący i kto wie, czy ich osiągnięcie nie zostanie uznane za najważniejsze w tym roku w dziedzinie astronomii. Jest na to duża szansa.

Komentarze