Gwiazdy są niewiarygodnie jasne w przeciwieństwie do planet, które wokół nich krążą. Ich znalezienie nie jest łatwe. Oto kilka przykładów, jak to się robi.
Od momentu, kiedy 22 lutego 2017 r. w mediach pojawiły się wiadomości o TRAPPIST-1, egzoplanety stały się jeszcze gorętszym tematem. Siedem znanych planet w systemie TRAPPIST-1 znajduje się zaledwie 40 lat świetlnych stąd. To na tyle blisko, że da się je dostrzec przy pomocy ziemskich i kosmicznych teleskopów. Ale astronomowie znają tysiące innych egzoplanet – nie wszystkie zostały odkryte w ten sposób.
Tranzyt
Większość planet odnajduje się metodą tranzytu – wykorzystuje ją choćby Kosmiczny Teleskop Keplera, czyli główny „łowca planet” ludzkości. Właśnie w ten sposób zostały odkryte planety krążące wokół TRAPPIST-1 – z tym, że przy użyciu teleskopu TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope (skąd też nazwa układu).
Jednak to Kepler jest głównym narzędziem do poszukiwania egzoplanet. Do tej pory naukowcy namierzyli 5668 kandydatów na planety i 4306 potwierdzonych egzoplanet (stan na 27 listopada 2020). Ponad połowa z tych obiektów została namierzona przez Keplera.
Na czym polega metoda tranzytu? Przykładem tranzytu jest choćby zaćmienie Słońca – występuje, gdy Księżyc ustawia się w jednej lini między Słońcem a Ziemią. Podobnie jest z egzoplanetami – gdy planeta przechodzi w jednej lini między gwiazdą, którą okrążą a Ziemią (obserwatorem), można ją dostrzec.
Gdy następuje zaćmienie Słońca, spada obserwowana jasność naszej gwiazdy – ze 100% do niemal 0%. Ale kiedy naukowcy obserwują odległe gwiazdy w poszukiwaniu tranzytu egzoplanet, ich spadek jasności jest tylko szczątkowy – to kilka procent, a czasami nawet ułamek procenta. Biorąc pod uwagę fakt, że spadki jasności występują regularnie, można w ten sposób dostrzec ukrytą planetę.
Aby móc wykrywać planety metodą tranzytu, naukowcy musieli opracować bardzo czułe przyrządy, które potrafią określić ilości światła emitowanego przez gwiazdę. Dlatego pierwsze egzoplanety udało się odnaleźć dopiero w latach 90. ubiegłego wieku.
Krzywa blasku uzyskana poprzez obserwację jasności gwiazdy pozwala również wydedukować nachylenie orbity egzoplanety i jej wielkość. Warto jednak zaznaczyć, że astronomowie nie wykrywają egzoplanet bezpośrednio metoda tranzytu – ich obecność jest wnioskowana.
Efekt Dopplera
Drugą najczęściej używaną metodą poszukiwania egzoplanet jest spektroskopia dopplerowska, która przez astronomów jest żartobliwie nazywana „metodą chybotania”. Na czym polega?
We wszystkich systemach związanych grawitacyjnie z udziałem gwiazd, obiekty na orbicie – w tym przypadku gwiazda i jej egzoplaneta – poruszają się wokół wspólnego środka masy.
Gdy masa egzoplanety jest znacząca w stosunku do masy jej gwiazdy, istnieje możliwość dostrzeżenia „chybotania”, wykrywalnego poprzez przesunięcie linii spektralnych w widmie gwiazdy, spowodowane efektem Dopplera. Ten sam efekt sprawia, że odgłos silnika samochodu wyścigowego brzmi wysoko, gdy pojazd zbliża się do nas i nisko, gdy się oddala.
Podobnie, gdy patrzymy z Ziemi, lekkie ruchy gwiazdy i jej planety (lub planet) wokół wspólnego środka ciężkości wpływają na obserwowane spektrum światła gwiazdy. Jeśli gwiazda porusza się w kierunku obserwatora, wówczas jej widmo wydaje się lekko przesunięte ku fioletowi; jeśli oddala się, zostaje przesunięte w stronę podczerwieni. Różnica nie jest duża, ale wystarczająca, by współczesne instrumenty mogły ją zmierzyć.
Kiedy więc astronomowie mierzą cykliczne zmiany w widmie światła gwiazdy, mogą podejrzewać, że orbituje wokół niej duże ciało – egzoplaneta. Spektroskopia dopplerowska jest przydatna tylko w przypadku poszukiwania bardzo dużych egzoplanet. Planety podobne do Ziemi nie mogą być wykryte w ten sposób, ponieważ chybotanie spowodowane przez obiekty podobne do Ziemi jest zbyt małe, aby można je było zmierzyć za pomocą aktualnych instrumentów.
Także obserwacje planet za pomocą tej metody nie są bezpośrednie. Naukowcy wnioskują, że jakiś obiekt krąży po orbicie.
Bezpośrednie obserwacje
Kilka planet znaleziono dzięki bezpośrednim obserwacjom. Jest to wciąż mocno „fantazyjna” technika, która polega po prostu na robieniu zdjęć egzoplanetom.
Metoda ta jest bardzo trudna i nieprzystępna. Musi zajść szereg czynników, aby dało się zrobić zdjęcie planecie pozasłonecznej. Po pierwsze, układ musi znajdować się stosunkowo blisko Ziemi. Po drugie, egzoplanety w tym układzie muszą znajdować się wystarczająco daleko od gwiazdy, aby astronomowie mogli je dostrzec. Ponadto, konieczne jest użycie specjalnego instrumentu zwanego koronografem, aby zablokować światło gwiazdy, ujawniając ciemniejsze światło planety.
Liczba egzoplanet znalezionych za pomocą tej metody jest różna – w zależności od przyjętej definicji planety. Dzięki bezpośrednim obserwacjom odkryto 10-30 egzoplanet.
Mikrosoczewkowanie grawitacyjne
Nie można zapomnieć także o metodzie mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Zjawisko to zachodzi, gdy grawitacja jednej gwiazdy działa jak soczewka, powiększając obraz innej, odległej gwiazdy będącej bezpośrednio za nią. Wymaga to ułożenia się obu gwiazd i Ziemi prawie idealnie w lini prostej i trwa bardzo krótko (zwykle dni lub tygodnie). Zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego zaobserwowano już ponad 1000 razy w ciągu ostatnich 10 lat.
Jeśli gwiazda soczewkująca ma planetę, to grawitacja tej planety może w wykrywalny sposób zaburzyć efekt soczewkowania. Zdarza się to jednak tylko przy bardzo szczególnym ułożeniu planety, co oznacza, że wykrywanie planet tą metodą wymaga ciągłego monitorowania dużego obszaru nieba. Z tego powodu, metoda ta jest skuteczna przy obserwacjach gwiazd znajdujących się między Ziemią a centrum galaktyki.
Problem z tą metodą jest taki, że zazwyczaj nie ma możliwości powtórzenia obserwacji, gdyż mikrosoczewkowanie grawitacyjne jest wydarzeniem jednorazowym. Co więcej, wykrywane planety zwykle znajdują się w dużych odległościach od Ziemi, co uniemożliwia potwierdzenie ich istnienia innymi metodami. Do tej pory odkryto w ten sposób ok. 20 planet.
Co czeka nas w przyszłości?
Najpopularniejsze metody wykrywania egzoplanet to metoda tranzytu i spektroskopia dopplerowska. Kilka planet odkryto za pomocą bezpośrednich obserwacji i zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Ale to nie wszystko. Są także inne, mniej popularne metody poszukiwania egzoplanet, m.in. astrometria czy obserwacje pulsarów. Właśnie tej drugiej metody użył Aleksander Wolszczan i Dale Frail, badając pulsar Lich i odkrywając w 1992 r. pierwsze znane nam egzoplanety.
Przyszłość obserwacji astronomicznych maluje się w kolorowych barwach. Dzięki coraz lepszym teleksopom kosmicznym jesteśmy w stanie dostrzec coraz więcej obiektów. Czy kiedyś uda nam się uchwycić egzoplanetę na zdjęciu takim, jakie regularnie robimy Marsowi czy Saturnowi? Jest to mało prawdopodobne, choć nie niemożliwe. Rozwój technik eksploracji kosmosu może okazać się kluczowy i pozwolić nam wysłać mikrosondy kosmiczne do odległych układów gwiezdnych. Być może, właśnie dzięki nim uda nam się znaleźć „drugą Ziemię”, a może i nawet „drugich ludzi”?
