Pozasłoneczne układy planetarne są wszędzie

Sześcioletnie obserwacje dziesiątków milionów gwiazd za pomocą techniki mikrosoczewkowania grawitacyjnego przyniosły zaskakujące efekty. Zespół OGLE z Obserwatorium Astronomicznego UW pod kierunkiem prof. Andrzeja Udalskiego oraz naukowcy z międzynarodowego projektu PLANET odkryli, że obecność planet krążących wokół innych gwiazd nie jest wyjątkiem, lecz regułą.

Zespół astronomów, w skład którego wchodzą naukowcy z międzynarodowego projektu PLANET oraz z prowadzonego w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego pod kierunkiem prof. dr. hab. Andrzeja Udalskiego wielkoskalowego przeglądu nieba OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), przedstawił wyniki badań mających na celu oszacowanie powszechność występowania pozasłonecznych układów planetarnych wśród gwiazd Drogi Mlecznej. Sześcioletnie obserwacje dziesiątków milionów gwiazd za pomocą techniki mikrosoczewkowania grawitacyjnego wskazują, że obecność planet krążących wokół innych gwiazd jest regułą. Praca informująca o odkryciu ukazała się w prestiżowym tygodniku naukowym „Nature”.

W ciągu ostatnich kilkunastu lat astronomowie odkryli ponad 700 planet pozasłonecznych. Coraz więcej planet odkrywanych jest również przez misje kosmiczne, jak np. satelitę Kepler. Znaleziono wiele unikalnych układów różniących się od Układu Słonecznego, zmierzono parametry fizyczne planet, analizowano ich atmosfery. Jednak po ekscytującym okresie pierwszych odkryć najważniejszym celem poszukiwań planet pozasłonecznych jest obecnie udzielenie odpowiedzi na pytanie, jak powszechne jest występowanie planet pozasłonecznych we Wszechświecie.

Większość znalezionych dotychczas planet została odkryta dzięki metodom polegającym na pomiarach albo niewielkiego ruchu macierzystych gwiazd wywołanego grawitacyjnym przyciąganiem krążącej na orbicie planety, albo dzięki obserwacjom drobnego osłabienia światła gwiazd – mikro-zaćmień zwanych tranzytami. Metody te są jednak czułe głównie na obecność planet krążących stosunkowo blisko swoich macierzystych słońc.

Zespoły PLANET i OGLE w swoich badaniach wykorzystały zupełnie inną technikę – mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Ta nowoczesna technika pozwala rejestrować planety w szerokim zakresie mas, począwszy od obiektów tak małomasywnych, jak nasza Ziemia, skończywszy na tych krążących w dużo większych odległościach od macierzystych gwiazd: 0.5–10 odległości Ziemia–Słońce. Metoda polega na precyzyjnych pomiarach pojaśnienia blasku odległej gwiazdy tła wywołanego przez przechodzący przed nią układ planetarny, który swym polem grawitacyjnym skupia dodatkowe światło tej gwiazdy i działa jak soczewka.

Analizowane zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego zostały odkryte przez warszawski zespół OGLE w latach 2002–2007 i były regularnie obserwowane z Obserwatorium Las Campanas w Chile za pomocą 1.3-m teleskopu warszawskiego. Zespół PLANET, który stworzył międzykontynentalną sieć teleskopów na trzech kontynentach, prowadził dodatkowe obserwacje tych zjawisk umożliwiając nieprzerwane, 24-godzinne śledzenie ich zmian jasności. Połączone dane obserwacyjne stworzyły unikalny materiał do badań statystycznych powszechności występowania planet pozasłonecznych.

Choć metoda mikrosoczewkowania jest bardzo potężnym narzędziem w rękach astronomów i pozwala na znajdowanie planet, to ich detekcja jest trudna, gdyż do zajścia zjawiska konieczne jest niesłychanie precyzyjne, a więc mało prawdopodobne, ustawienie się w przestrzeni gwiazdy tła i obiektu soczewkującego. Dlatego do wykrywania zjawisk mikrosoczewkowania konieczne są ciągłe obserwacje dziesiątków milionów gwiazd w celu wyłuskania tych niezwykle rzadkich przypadków. W analizowanym zestawie danych PLANET i OGLE analizowano 440 zjawisk mikrosoczewkowania, wśród których odkryto trzy planety pozasłoneczne: małomasywną super-Ziemię i planety o masie zbliżonej do Neptuna i Jowisza. Z punktu widzenia prawdopodobieństwa występowania mikrosoczewkowania planetarnego jest to liczba znacznie przekraczająca oczekiwania. Odkrycie świadczy o tym, że albo astronomowie mieli w przypadku tych badań wyjątkowo duże szczęście, albo – co dużo bardziej prawdopodobne – liczba pozasłonecznych układów planetarnych jest znacznie większa niż uprzednio przypuszczano.

Dokładna analiza zebranych danych w połączeniu z informacjami o poprzednich odkryciach planet pozasłonecznych metodą mikrosoczewkowania oraz przypadkami, w których obecności planet nie zarejestrowano, pozwoliła oszacować powszechność występowania planet pozasłonecznych. W obszarze odległości od macierzystej gwiazdy odpowiadającej odległościom 0.7–10 odległości Ziemia–Słońce i zakresie mas planety od 5 mas Ziemi (super-Ziemia) do 10 mas Jowisza, jedna na sześć badanych gwiazd ma planetę o masie Jowisza, połowa planetę o masie Neptuna i aż dwie trzecie małomasywną super-Ziemię. Zatem średnia liczba planet przypadająca na gwiazdę jest większa niż jeden. Układy planetarne są więc we Wszechświecie regułą, a nie wyjątkiem, a małomasywne planety podobne do Ziemi występują powszechnie.

Warto zauważyć, że w maju 2011 roku zespół OGLE wraz z nowozelandzko-japońską grupą MOA ogłosił, również na łamach tygodnika „Nature”, odkrycie nowej kategorii planet pozasłonecznych – tzw. planet swobodnych (wymienianych jako jeden z 10 przebojów naukowych roku przez tygodnik Science). Są to obiekty planetarne oderwane od swych macierzystych gwiazd na skutek oddziaływań grawitacyjnych pomiędzy planetami lub sąsiednimi gwiazdami i krążące swobodnie w Galaktyce. W tym przypadku oszacowanie częstości występowania tego typu obiektów również wskazuje na powszechność występowania obiektów planetarnych we Wszechświecie.

Wyniki opublikowane w „Nature” to efekt poszukiwań planet pozasłonecznych przez pierwszą generację przeglądów mikrosoczewkowych nieba. W marcu 2010 roku rozpoczęła się czwarta faza projektu OGLE, będąca planetarnym przeglądem mikrosoczewkowym nieba nowej generacji. Projekt OGLE-IV odkrywa obecnie około 2000 zjawisk mikrosoczewkowania rocznie – kilka razy więcej zjawisk niż w poprzednich fazach. Równocześnie rejestrowana jest znacznie większa liczba zjawisk mikrosoczewkowania planetarnego. Po kilku sezonach obserwacyjnych projekt OGLE-IV dostarczy unikalnych danych umożliwiających dużo precyzyjniejsze scharakteryzowanie planet pozasłonecznych w układach związanych, krążących wokół macierzystych gwiazd w odległości od około jednej do kilku odległości Ziemia–Słońce. Badanie własności tego typu planet, znajdujących się w niezmiernie ważnych rejonach systemów planetarnych – poza tzw. linią śniegu, gdzie układy planetarne powstają, jest możliwe obecnie tylko za pomocą techniki mikrosoczewkowania grawitacyjnego.

Praca opisująca wyniki badań opublikowana została w tygodniku naukowym „Nature”: „One or more bound planets per Milky Way star from microlensing observations”, A. Cassan, D. Kubas, J.-P. Beaulieu, M. Dominik, K. Horne, J. Greenhill, J. Wambsganss, J. Menzies, A. Williams, U.G. Jorgensen, A. Udalski, D.P. Bennett, M.D. Albrow, V. Batista, S. Brillant, J.A.R. Caldwell1, A. Cole, Ch. Coutures, K.H. Cook, S. Dieters, D. Dominis Prester, J. Donatowicz, P. Fouque, K. Hill, N. Kains, S. Kane, J.-B. Marquette, R. Martin, K.R. Pollard, K.C. Sahu, C. Vinter, D. Warren, B. Watson, M. Zub, T. Sumi, M.K. Szymański, M. Kubiak, R. Poleski, I. Soszyński, K. Ulaczyk, G. Pietrzyński & Ł. Wyrzykowski, 2012, „Nature”, 481, str. 167–169 (zobacz też PDF).

Projekt OGLE jest współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC, program IDEAS Advanced Grants dla prof. Andrzeja Udalskiego)

Artykuł o odkryciu swobodnych planet pozasłonecznych z 23 maja 2011 r. [więcej]