Wielce Szanowni Państwo!Trzydzieści lat minęło…

…od odkrycia pierwszych planet poza Układem Słonecznym. W dodatku dokonał tego nasz rodak Aleksander Wolszczan, przy okazji obserwacji pulsara PSR 1257+12 leżącego w gwiazdozbiorze Panny. Rzec można, niechcący. CX News w swoim czasie uprzejmie o tym Państwu doniósł. Uznałem jednak, że warto wrócić do tematu.

W jądrze każdej gwiazdy zachodzą reakcje syntezy jądrowej przekształcające wodór kolejno w coraz cięższe pierwiastki. Wydzielona przy tej okazji energia ogrzewa gwiazdę i powoduje wzrost wewnętrznego ciśnienia, zapobiegając jej grawitacyjnemu kolapsowi. Kiedy jednak łańcuch syntezy dojdzie do żelaza, koniec jest nieuchronny. Reakcje jądrowe ustają, bowiem synteza pierwiastków cięższych niż żelazo wymaga dostarczenia energii z zewnątrz. Gdy zaś jądro gwiazdy ma masę większą niż ok. 1,4 masy Słońca, grawitacja wygrywa i zaczyna się ono zapadać. Kurczy się tak, że elektrony zostają wciśnięte w protony, zmieniając je w neutrony. Jednocześnie zewnętrzne warstwy opadają z dużą szybkością na niewiarygodnie gęste jądro, ulegając gwałtownemu odbiciu na zewnątrz. To jest właśnie wybuch supernowej, a pozostałe po nim skarlałe truchło o średnicy kilkunastu kilometrów zwiemy gwiazdą neutronową.

Jest to obiekt o największej znanej gęstości. Łyżeczka „materii neutronowej” (gdyby komuś przyszło do głowy jej zaczerpnąć), miałaby masę Mount Everestu! Oczywiście, zgodnie z obowiązującymi w naturze prawami, gwiazda neutronowa dziedziczy po swej protoplastce pole magnetyczne i moment obrotowy. A że jej rozmiary liniowe maleją circa milion razy, zaczyna wirować z oszałamiającą prędkością, rozkręcając się nawet do tysiąca obrotów na sekundę! Powoduje to emisję niezwykle silnego promieniowania radiowego, uformowanego przez pole magnetyczne w dwie skoncentrowane wiązki wydobywające się z biegunów magnetycznych. Zwykle nie pokrywają się one z osią obrotu (choćby tak jak na Ziemi), zataczają więc okręgi omiatając Wszechświat snopami promieniowania niczym latarnia morska. Kiedy Ziemia znajdzie się na drodze takiej wiązki rejestrujemy „pulsy” fal radiowych, które dały nazwę tej klasie obiektów astronomicznych. Każdy pulsar ma swój własny rytm, charakterystyczny niczym odcisk palca. Jest on niezwykle powtarzalny. Pulsary są stabilniejsze od zegarów atomowych! Zwykle, lecz ze stabilnością PSR 1257+12 było coś nie tak.

Cóż jednak mogło wpływać na takie monstrum? Szukając odpowiedzi na to pytanie, Wolszczan doszedł do jedynego słusznego wniosku: to grawitacja obiegających go planet! Tak naprawdę planety wcale nie obiegają gwiazdy, lecz gwiazda i planety obiegają wspólny środek masy. Dlatego PSR 1257+12 kapkę się „kolebie”, a to ma wpływ na emitowane przezeń promieniowanie. Efekt jest subtelny, lecz mierzalny. W ten właśnie sposób nasz bohater odkrył nie jedną, nie dwie, ale trzy egzoplanety. Chapeau bas!

Po potwierdzeniu i zaakceptowaniu odkrycia, zapanowała istna „gorączka planetarna”. Optyczne próby zaobserwowania planet zewnętrznych były skazane na niepowodzenie, ze względu na kolosalne odległości i blask gwiazdy centralnej. To trochę tak, jakbyśmy próbowali z pełnego morza wypatrzyć ćmę latającą obok latarni morskiej. Okazało się, że niekoniecznie trzeba je bezpośrednio zaobserwować. Na potwierdzone odkrycie pierwszej planety orbitującej wokół gwiazdy, tzw. ciągu głównego (do którego należy Słońce), przyszło jednak poczekać aż do 1995 r. Była to 51 Pegasi b. Tu należy się Państwu kilka słów wyjaśnienia: 51 Pegasi oznacza gwiazdę z konstelacji Pegaza o numerze katalogowym 51, zaś planety otrzymują kolejne małe litery alfabetu poczynając od b. Rzecz jasna, astronomowie przez te lata nie próżnowali. Wręcz przeciwnie: byli bardzo zajęci, wypracowując metodyki poszukiwania egzoplanet.

Najbardziej owocnymi okazały się:

• metoda prędkości radialnych: pod wpływem grawitacji orbitujących planet gwiazda się ciut-ciut „kolebie”. Ma to wpływ na długość fali emitowanego światła (efekt Dopplera). Analiza długookresowych zmian widma gwiazdy pozwala wyciągnąć wnioski dotyczące liczby, okresu obiegu i masy planet;
• metoda tranzytów: orbitująca planeta przechodząc na tle tarczy gwiazdy częściowo ją zasłania, w wyniku czego można zaobserwować okresowe spadki blasku gwiazdy. Analiza długookresowych zmian jasności daje wskazówki co do liczby, okresu obiegu, rozmiarów i masy planet;
• metoda mikrosoczewkowania grawitacyjnego: grawitacja planety działa jak soczewka, zaginając tor światła. Powoduje pozorne zwiększenie blasku gwiazdy znajdującej się za planetą. Analiza obserwacji długookresowych pozwala wnioskować o rozmiarach i masie planety.

Początkowo obserwacje prowadzono z Ziemi, lecz w pomiarach, zwłaszcza blasku gwiazd, przeszkadza atmosfera. Wystrzelono więc satelity Kepler, TESS itd., których jedynym celem było poszukiwanie egzoplanet. Automatycznie monitorują setki tysięcy gwiazd, powiadamiając jedynie o „rokujących” przypadkach. Metodą mikrosoczewkowania odkryto sporo planet samotnych, niepowiązanych grawitacyjnie z żadną gwiazdą. Przemierzają one Wszechświat w absolutnych ciemnościach i zapomnieniu.

Skatalogowano już tysiące planet zewnętrznych. Zauważcie jednak, że wszystkie opisane metody wykrywania mają pewną wadę wrodzoną: preferują planety masywne i znajdujące się blisko gwiazdy. Nie jest przypadkiem, że 51 Pegasi b okazała się być globem o wielkości Jowisza niemal ocierającym się o gwiazdę macierzystą. Dzisiaj świętym Graalem astronomii stało się znalezienie „drugiej Ziemi”. Planety skalistej o masie i rozmiarach Ziemi, mającej atmosferę i położonej w ekosferze gwiazdy, czyli w odległości umożliwiającej istnienie ciekłej wody na jej powierzchni. Może nawet z istniejącym życiem? Jego wskaźnikiem mogłoby być istnienie niezwiązanego tlenu w atmosferze planety. W końcu na Ziemi jest on wyłącznie pochodzenia biologicznego i bez fotosyntetyzujących roślin szybko by zniknął ze względu na swoją reaktywność chemiczną. Kilka takich planet znaleziono. Jedna z nich, Proxima b, krąży wokół najbliższej nam gwiazdy Proxima Centauri. Planety skaliste o rozmiarach podobnych do Ziemi stanowią obecnie ok. 18% znanych egzoplanet. Ale potwierdzenie obecności ciekłej wody, czy tlenu w ich atmosferach wymaga doskonalszych metod i narzędzi badawczych.

Tak, tak Moiściewy! Zauważyliście, że za sprawą astronomów ustawicznie tracimy status? Najpierw Kopernik wykopał Ziemię z Axis Mundi, potem Galileusz zrobił to samo ze Słońcem, a za sprawą Wolszczana nawet nasz układ planetarny przestał być wyjątkiem. Co będzie dalej? Lasciate ogni speranza[iii].

Póki co, życzę jednak Państwu wszystkiego co najlepsze na naszej nieco zapyziałej Planecie.

Z.M. ♦

[i] Kolaps jądra gwiazdy o masie powyżej 20 M¤ prowadzi do powstania czarnej dziury

[ii] Egzoplaneta, (gr. εξω – exo: poza, na zewnątrz; πλανάω – planao: wędruję)

[iii] Lasciate ogni speranza, (wł. Porzućcie wszelką nadzieję – Dante Alighieri, Boska Komedia)