Odkrycie pierwszej małomasywnej lodowej planety pozasłonecznej

Andrzej Udalski

Międzynarodowy zespół astronomów, w którego skład wchodzi grupa astronomów warszawskich, poinformował o odkryciu pierwszej chłodnej, małomasywnej planety pozasłonecznej o masie około 5.5 masy Ziemi. Jest ona obecnie najlżejszą wśród odkrytych planet krążących wokół normalnych gwiazd podobnych do Słońca. Co najważniejsze, planeta znajduje się w dużej odległości od swej macierzystej gwiazdy (około trzy razy większej od odległości Ziemia-Słońce) obiegając ją raz na około 10 lat. Odkrycie pozwala przypuszczać, że tego typu zimne, kamienno-lodowe planety są bardzo powszechne we Wszechświecie i tym samym potwierdzić przewidywania najbardziej obiecujących teorii powstawania układów planetarnych.

Planeta OGLE-2005-BLG-390 została odkryta za pomocą techniki mikrosoczewkowania grawitacyjnego, uważanego nawet przez samego Einsteina za teoretyczną ciekawostkę wynikającą z jego teorii względności. W największym uproszczeniu zjawisko polega na tym, że bieg światła gwiazdy znajdującej się w tle zostaje zakłócony przez pole grawitacyjne gwiazdy soczewkującej - znajdującej się pomiędzy źródłem, a Ziemią.

Szczegóły zniekształconego obrazu odległej gwiazdy nie mogą być obserwowane bezpośrednio, możliwe jest jednak zmierzenie jego jasności, która zmienia się w charakterystyczny sposób na skutek zmian względnego ustawienia odległej gwiazdy źródła, gwiazdy soczewki i obserwatora na Ziemi. Jeśli wokół gwiazdy soczewkującej krąży planeta, jej pole grawitacyjne również może zakłócać światło odległej gwiazdy. W rezultacie obserwujemy dodatkowy efekt mikrosoczewkowania przez planetę, pozwalający na jej wykrycie.

Zjawiska mikrosoczewkowania występują niezwykle rzadko. W najbardziej sprzyjających mikrosoczewkowaniu rejonach nieba (np. w kierunku Centrum Galaktyki) światło zaledwie jednej gwiazdy na milion jest w danym momencie wzmacniane. Efekty dodatkowe wywołane obecnością planet, mogą być obserwowane jeszcze znacznie rzadziej. Ogromnym utrudnieniem jest tu fakt, że trwają one bardzo krótko - od kilku godzin dla najlżejszych planet do 1-5 dni dla najcięższych. Ponieważ są to zjawiska niepowtarzalne, wymagają ciągłych 24-godzinnych obserwacji, niesłychanej koncentracji obserwatorów i doskonałej koordynacji współpracy pomiędzy różnymi grupami badaczy.

Odkrycie planety OGLE-2005-BLG-390 jest wynikiem współpracy międzynarodowego projektu PLANET oraz polskiego projektu OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) prowadzonego od około 15 lat przez zespół astronomów z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, kierowany przez prof. dr hab. Andrzeja Udalskiego.

Zespół OGLE od lat pozostaje światowym liderem w dziedzinie obserwacji mikrosoczewkowania grawitacyjnego, jest m.in. odkrywcą pierwszego tego typu zjawiska w kierunku centrum Galaktyki. Obecnie zespół OGLE odkrywa w ciągu roku około 500 takich zjawisk w ich wczesnych fazach i informuje o tym społeczność astronomiczną, co umożliwia dalsze 24-godzinne obserwacje najbardziej obiecujących przypadków.

Zjawisko OGLE-2005-BLG-390 odkryte zostało przez zespół OGLE 11 lipca 2005 r. Od tego momentu było ono również intensywnie monitorowane przez zespół PLANET przy użyciu sieci teleskopów znajdujcych się na trzech kontynentach, umożliwiających 24-godzinne nieprzerwane obserwacje. 10 sierpnia 2005 r., pod koniec zjawiska mirosoczewkowania, nastąpił niespodziewane pojaśnienie obiektu. Początkowa faza pojaśnienia została zaobserwowana przez grupę PLANET i OGLE za pomocą teleskopów w Chile. Jednak główna jego faza mogła być obserwowana wyłącznie z obszaru nad Oceanem Spokojnym i Australią. Dzięki pomiarom grupy PLANET, mającej również w Australii swoje teleskopy, została ona dobrze zarejestrowana. Dodatkowe obserwacje wykonał też w Nowej Zelandii japońsko-nowozelandzki zespół MOA, potwierdzając pojaśnienie - odchyłkę planetarną.

Szczegółowa analiza zebranych danych pozwoliła wykluczyć jakąkolwiek inną interpretację niż obecność lekkiej planety, krążącej wokół soczewkującej gwiazdy. Wyznaczone parametry planety są pod każdym względem rekordowe. Jej masa, najmniejsza spośród mas znanych planet krążących wokół gwiazd podobnych do Słońca, to zaledwie 5.5 masy Ziemi. Odległość od Ziemi, to rekordowe 20 tysięcy lat świetlnych.

Macierzysta gwiazda jest karłem o masie zaledwie około 20% masy Słońca. Planeta okrąża ją w odległości około trzech odległości Ziemia-Słońce, co powoduje, że musi być bardzo chłodna, a temperatura panująca na powierzchni jest mniej więcej taka jak na Neptunie, około -220 C. Musi więc to być nieprzyjazny, zamarzły świat kamienno-lodowy, bardziej przypominający masywną wersję Plutona niż planety typu Ziemi czy Wenus.

Jedną z ogromnych zalet metody znajdowania planet przy użyciu mikrosoczewkowania grawitacyjnego jest możliwość odkrywania obiektów małomasywnych, gdyż w odróżnieniu od innych metod, mogą one tu dawać bardzo silny sygnał, łatwy do zaobserwowania. Jednak aby to nastąpiło wzajemne ustawienie na niebie planety i gwiazdy źrodła światła musi być bardzo precyzyjne. Obiekty o większych masach dają mierzalny sygnał już przy znacznie mniej dokładnym ustawieniu. Odkrycie tak małomasywnej planety jak OGLE-2005-BLG-390 może więc świadczyć o tym, że małomasywne planety są bardziej rozpowszechnione we Wszechświecie od olbrzymich planet jowiszowych. Inaczej bowiem zaobserwowalibyśmy już dziesiątki dużych planet. Dotychczas udało się jednak odkryć metodą mikrosoczewkowania zaledwie dwie inne planety pozasłoneczne - obie jowiszo-podobne.

Fakt ten pozostaje w znakomitej zgodzie z najbardziej obiecującą teorią powstawania układów planetarnych. Według niej w protoplanetarnym dysku gazowym tworzą się zagęszczenia kamienno-lodowe tzw. planetezymale, wokół których rozbudowują się jądra planet. Planety masywne powstają wokół jąder o masie 5-15 mas Ziemi, przyciągających następnie ogromne ilości wodoru i helu. Jednak w przypadku gwiazd mniej masywnych od Słońca jądra formują się znacznie wolniej i nie są w stanie przyciągnąć większej ilości gazu. W rezultacie teoria przewiduje, że kamienno-lodowe planety powinny występować znacznie częściej niż olbrzymy jowiszo-podobne.

Dalsze intensywne badania planet pozasłonecznych za pomocą metody mikrosoczewkowania grawitacyjnego powinny dostarczyć rozstrzygającego materiału obserwacyjnego. Zarówno bowiem zakres mas jak i odległości planet od macierzystych gwiazd, na które mikrosoczewkowanie jest najbardziej czułe, odpowiadają zakresowi optymalnemu do testowania przewidywań teoretycznych. Technika mikrosoczewkowania jest również obecnie jedyną techniką umożliwiającą odkrycie "drugiej Ziemi".

Praca dotycząca odkrycia planety OGLE-2005-BLG-390 autorstwa grup PLANET, OGLE i MOA ukazuje się w numerze 439 prestiżowego czasopisma naukowego Nature 26 stycznia 2006 roku.

Warto podkreślić, że odkryta planeta pozasłoneczna to już ósmy obiekt tego typu znaleziony przez zespół OGLE. Oprócz trzech planet pozasłonecznych odkrytych metodą mikrosoczewkowania grawitacyjnego, zespół OGLE odkrył ponadto pięć innych planet metodą tzw. tranzytów, czyli obserwacji zaćmień macierzystych gwiazd przez planety. Z trzech metod używanych z sukcesami do poszukiwań planet pozasłonecznych wokół gwiazd podobnych do Słońca, dwie - tranzyty i mikrosoczewkowanie - po raz pierwszy na świecie zostały zastosowane z sukcesem przez grupę OGLE.

Bieżące informacje o projekcie OGLE można znaleźć pod adresem:
http://ogle.astrouw.edu.p

Projekt OGLE jest obecnie największym projektem mikrosoczewkowym na świecie. Obserwacje prowadzone są przy użyciu warszawskiego 1.3 metrowego teleskopu w Obserwatorium Las Campanas w Chile. Każdej pogodnej nocy obserwowane jest prawie 150 milionów gwiazd. Projekt finansowany jest częściowo przez Ministerstwo Edukacji i Nauki oraz Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Zespół OGLE stanowią: prof. dr hab. Andrzej Udalski, prof. dr hab. Marcin Kubiak, dr Michał Szymański, dr Grzegorz Pietrzyński, dr Igor Soszyński, dr Łukasz Wyrzykowski, mgr Olaf Szewczyk z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego przy wspólpracy z prof. dr hab. Bohdanem Paczyńskim z Princeton University, USA. W obserwacjach i odkryciu planety OGLE-2005-BLG-390 brał również aktywny udział student V roku astronomii UW, Tomasz Więckowski.