Egzoplaneta: świat o dwukrotnie większej masie niż Ziemia, ale wielkości Saturna

Kepler-51b waży mniej więcej dwa razy tyle co Ziemia, a mimo to rozdyma się niemal do rozmiarów Saturna – planety stukrotnie cięższej od Ziemi. Właśnie taka rozbieżność między masą a rozmiarem sprawia, że egzoplanety, światy krążące wokół innych gwiazd niż Słońce, wciąż zaskakują badających je astronomów.

Zaledwie trzy dekady temu nikt nie potwierdził istnienia ani jednej planety poza naszym Układem Słonecznym. Dziś skatalogowano tysiące, a ich liczba wciąż rośnie, w miarę jak teleskopy kosmiczne i przeglądy naziemne doskonalą metody poszukiwań. Ten przewodnik zbiera odkrycia, niemal-odkrycia oraz fizykę, które czynią z egzoplanet jedną z najbardziej żywych dziedzin astronomii.

Pierwsze potwierdzone egzoplanety nie były przytulnymi, ziemiopodobnymi światami, jakie obiecywała fantastyka. Były to dwie planety o masie zbliżonej do ziemskiej, znalezione na orbicie wokół pulsara milisekundowego – zapadniętej, szybko wirującej pozostałości po martwej gwieździe – ogłoszone w 1992 roku przez Aleksandra Wolszczana i Dale'a Fraila. Pulsary emitują impulsy radiowe z tak zegarmistrzowską precyzją, że drobne wahania w ich czasowaniu zdradziły grawitację niewidocznych towarzyszy.

Trzy lata później nastąpiło odkrycie, które wydawało się bardziej znajome. W 1995 roku astronomowie znaleźli pierwszą potwierdzoną egzoplanetę wokół gwiazdy ciągu głównego podobnej do Słońca, na ciasnej, czterodniowej orbicie wokół 51 Pegasi. Badacze namierzyli ją za pomocą spektroskopu na tyle precyzyjnego, by wychwycić zmiany prędkości rzędu 70 metrów na sekundę w świetle gwiazdy – słaby grawitacyjny pociąg krążącej planety, przyciągającej swoją gwiazdę to w jedną, to w drugą stronę. Ta precyzja na poziomie instrumentu, wykrywająca chwianie się wolniejsze niż raźny trucht, sprawiła, że poszukiwanie egzoplanet przeistoczyło się ze spekulacji w powtarzalną naukę.

Nie każda egzoplaneta pasuje do schludnych kategorii, jakie astronomowie zbudowali na podstawie naszych ośmiu planet. Kepler-51b ma zaledwie około dwukrotnie większą masę niż Ziemia, a jednak jej rozmiar pęcznieje niemal do wielkości Saturna, planety stukrotnie cięższej. Planeta tak nadmuchana jak na swoją masę musi mieć niezwykle niską gęstość, co wskazuje na atmosferę tak rozległą i lekką, że ledwie trzyma się w całości.

Rozbieżności między masą a rozmiarem występują w obu kierunkach. Wśród wpisów w Archiwum Egzoplanet NASA żadna planeta nie przewyższa masą HR 2562 b, która waży mniej więcej 30 razy tyle co Jowisz – sam już będący najcięższą planetą naszego Układu Słonecznego. Na drugim biegunie szersze badanie obejmujące tysiące egzoplanet ujawniło pewien wzorzec nie w ich rozmiarach, lecz w sposobie poruszania się: duże planety mają tendencję do osiadania na orbitach eliptycznych, podczas gdy mniejsze wolą tory bliższe okręgowi. Nikt nie planuje układu planetarnego w ten sposób – to po prostu wynik działania grawitacji i pozostałego materiału na przestrzeni miliardów lat.

Niektóre egzoplanety nie tylko krążą wokół swojej gwiazdy, ale też powoli rozpadają się na jej oczach. Jeden z takich skazanych na zagładę światów, dostrzeżony przez Keplera, okrąża swoją gwiazdę macierzystą w zaledwie 16 godzin i ciągnie za sobą kometopodobny ogon pyłu odparowanego z własnej powierzchni. Astronomowie wykryli ją tylko dzięki temu, że ten obłok pyłu okresowo przyćmiewa światło gwiazdy podczas przejścia – sygnatura odmienna od czystych, powtarzalnych spadków jasności nienaruszonej planety.

Uchwycenie planety w takim stanie wymagało jednoczesnej obserwacji ogromnej liczby gwiazd, do czego dokładnie zbudowano Keplera: teleskop monitorował jednocześnie ponad 145 000 gwiazd, tropiąc krótkie, płytkie przyciemnienia zdradzające tranzytującą egzoplanetę. Większość planet odkrytych w ten sposób zachowuje się normalnie. Ta wyróżniała się właśnie dlatego, że tak się nie zachowywała.

Wśród odkryć Keplera Kepler-452b nie bez powodu zyskała przydomek. Planeta jest około 60 procent większa od Ziemi i okrąża gwiazdę typu G2 – tej samej ogólnej klasy co Słońce – z tą różnicą, że ta gwiazda ma na koncie 6 miliardów lat, czyli aż 1,5 miliarda więcej, niż widziała nasza własna gwiazda. Jon Jenkins, kierujący analizą danych Keplera, nazwał ją „starszym, większym kuzynem Ziemi", pozwalającym naukowcom „zrozumieć zmieniające się środowisko Ziemi i zastanowić się nad nim".

To, co czyni orbitę Kepler-452b godną uwagi, to jak zwyczajnie wygląda mimo większego rozmiaru planety: pełny obieg trwa 385 dni, czyli zaledwie o 5 procent dłużej, niż Ziemia potrzebuje na jedno okrążenie Słońca. Można by się spodziewać, że tak dużo większa planeta znajduje się znacznie dalej od swojej gwiazdy, jednak liczby wypadają zaskakująco blisko naszych – przypomnienie, że rozmiar i odległość orbitalna nie zawsze idą ze sobą w parze.

Zrozumienie wnętrza planety jest trudniejsze niż jej samo wykrycie, ponieważ żaden teleskop nie potrafi zajrzeć przez chmury planety. Eksperymenty laboratoryjne wypełniają tę lukę, odtwarzając miażdżące ciśnienia panujące głęboko wewnątrz gazowych olbrzymów. Ściśnięcie wodoru w postaci deuteru do ciśnienia około 150 gigapaskali przełącza go ze stanu przezroczystego w nieprzezroczysty – próg istotny dla modelowania tego, co dzieje się wewnątrz masywnych gazowych egzoplanet olbrzymich i ich kuzynów z Układu Słonecznego. Wyniki takie jak te pozwalają astronomom przekładać zmierzoną masę i promień planety na uzasadnione przypuszczenie dotyczące jej wewnętrznej budowy, ponieważ dwie planety o identycznych parametrach zewnętrznych mogą kryć zupełnie różne wnętrza.

Okazało się, że najbliższa Słońcu gwiazda ma własną planetę. Proxima Centauri b, odkryta na orbicie wokół tej sąsiedniej gwiazdy, okrąża ją co 11,2 dnia ziemskiego w odległości zaledwie około 0,04848 j.a. – bliżej niż pętla Merkurego wokół Słońca. To właśnie ta bliskość gwiazdy utrzymuje planetę na tyle ciepłą, by budziła zainteresowanie, mimo że krąży wokół gwiazdy znacznie słabszej niż Słońce.

Nieco dalej w poszukiwaniach pobliskich układów planetarnych TRAPPIST-1 przyniósł inny rodzaj odkrycia. Jego układ planetarny odkryto w 2016 roku dzięki zespołowi kierowanemu przez belgijskiego astronoma Michaela Gillona, wykorzystującemu obserwacje z Obserwatorium La Silla w Chile, co ujawniło zwartą rodzinę planet skupionych wokół małej, chłodnej gwiazdy. Znalezienie całego układu w ramach jednej kampanii, zamiast pojedynczej planety naraz, zmieniło sposób, w jaki astronomowie planują przyszłe przeglądy nieba.

Każda z omówionych dotąd egzoplanet należy do naszej własnej galaktyki. Ta granica utrzymywała się, dopóki badacze nie połączyli obserwatorium rentgenowskiego NASA Chandra z techniką mikrosoczewkowania, obserwując odległą galaktykę z kwazarem w poszukiwaniu śladów niewidocznych planet zakrzywiających jej światło. Analiza wykazała dowody na istnienie około 2 000 planet pozagalaktycznych na każdą gwiazdę poza Drogą Mleczną. Były to pierwsze dane sugerujące, że nasza własna galaktyka to zaledwie jedna wyspa pośród liczby egzoplanet przekraczającej bilion, gdy spojrzy się poza nią – liczby tak ogromnej, że zamienia poszczególne planety w statystyczny szum tła, a nie w odrębne obiekty do katalogowania jeden po drugim.

Instrumenty zbudowane do wychwytywania pojedynczej chwiejącej się gwiazdy albo pojedynczej przyciemniającej się krzywej blasku nigdy nie zostały zaprojektowane z myślą o bilionie planet. Fakt, że te same zasady detekcji – drobne zniekształcenia grawitacyjne i optyczne – skalują się od pojedynczego układu gwiezdnego aż po ilość planet odpowiadającą całej galaktyce, mówi tyle samo o pomysłowości metod, co o tym, jak powszechne okazują się planety.

Sam sprzęt Keplera pokazuje, jak wielkiej precyzji wymaga to polowanie. Jego zwierciadło główne miało 1,4 metra średnicy, a gdy Kepler wystartował, żaden inny teleskop latający poza atmosferą Ziemi nie miał większego – rekord, który Kosmiczne Obserwatorium Herschela przejęło zaledwie kilka miesięcy później. Zbudowanie tak dużego instrumentu i skierowanie go na ten sam fragment nieba przez lata było ceną za uchwycenie słabych, powtarzających się tranzytów zdradzających planetę wielkości Ziemi.

Każde pokolenie nauki o egzoplanetach opierało się na poprzednim: pomiary czasowe pulsarów ustąpiły miejsca chwianiu się gwiazd, chwianie się gwiazd ustąpiło fotometrii tranzytowej obserwującej jednocześnie setki tysięcy gwiazd, a fotometria tranzytowa sięga dziś aż po galaktyki poza naszą własną. Kolejna niespodzianka – czy to planeta dziwniejsza niż Kepler-51b, czy dowód zmieniający nasze rozumienie tego, jak powszechne naprawdę są planety – najprawdopodobniej już czeka w danych na przeanalizowanie.

• ScienceDaily: Pod ciśnieniem wodór odzwierciedla wnętrza gazowych olbrzymów
• NASA: Misja Kepler odkrywa większego, starszego kuzyna Ziemi
• Phys.org: Parująca egzoplaneta wzbija pył
• National Geographic: Nowe odkrycie sugeruje, że egzoplanety mogą istnieć poza galaktyką Drogi Mlecznej
• Wikipedia: Egzoplaneta
• Wikipedia: 51 Pegasi b
• Wikipedia: Teleskop kosmiczny Kepler
• Wikipedia: Proxima Centauri b
• Wikipedia: TRAPPIST-1