Bladoniebieska kropka, bladoczerwona kropka, bladozielona kropka….

Autor: Alan Boss, Carnegie Institution for Science

Nawet Carl Sagan byłby zaskoczony tym co osiągnęliśmy w ciągu 20 lat od uzyskania pierwszych dowodów istnienia olbrzymiej planety krążącej wokół gwiazdy podobnej do Słońca, w październiku 1995 roku. Ogłoszenie odkrycia gigantycznej planety znajdującej się na orbicie wokół podobnej do Słońca gwiazdy 51 Pegasus przez Michela Mayora oraz Didier Queloz, oraz potwierdzenie jej istnienia zaledwie kilka tygodni później przez Geoffa Marcy oraz Paula Butlera, było całkowicie nieoczekiwane, nie dlatego, że 51 Peg b charakteryzuje się masą równą połowie masy Jowisza, czy też kołową orbitą, a dlatego, że 51 Peg b krąży wokół swojej gwiazdy w odległości 100-krotnie mniejszej od odległości Słońce-Jowisz, 20-krotnie mniejszej od odległości Słońce-Ziemia. Teoretycy, tacy jak ja, nie mogli sobie wyobrazić formowania się gazowego olbrzyma tak blisko gwiazdy macierzystej, w przestrzeni pozbawionej surowców niezbędnych do powstania gazowej planety. Obawialiśmy się także, że jeżeli gazowy olbrzym powstał w nieco bardziej rozsądnej odległości, podobnej do obecnej odległości Jowisza od Słońca, oddziaływania grawitacyjne między gazową planetą a dyskiem protoplanetarnym składającym się z pyłu i gazu mogły doprowadzić do swego rodzaju orbitalnej migracji do wnętrza układu planetarnego, gdzie taka planeta zostałaby w końcu pochłonięta przez rosnącą centralną protogwiazdę. Jednak 51 Peg b dowiodła, że teoretycy zajmujący się formowaniem planet są w błędzie. Od tego czasu nadrabiamy nasze braki w wiedzy.

Dwa miesiące po ogłoszeniu odkrycia 51 Peg b, Carl Sagan wysłał list do George’a Wetherilla i do mnie, w których napisał, że przewidział teoretyczną możliwość formowania się planet podobnych do 51 Peg b. Sagan opublikował w 1977 roku artykuł, w którym wykorzystał prosty model procesu formowania planet do stwierdzenia, że jeżeli dysk protoplanetarny większą część swojej masy ma skoncentrowaną blisko protogwiazdy, wtedy pojedyncze, masywne planety mogą powstawać w odległości 10 razy większej niż odległość 51 Peg b. W podsumowaniu artykułu autorzy jednak zaznaczyli, że taki proces formowania planet jest “wysoce wątpliwy”. Wraz z odkryciem 51 Peg b, Sagan był gotów pominąć określenie “wysoce wątpliwy” i stwierdzić, że jako pierwszy teoretycznie przewidział istnienie planety pozasłonecznej. Wraz Wetherillem przedyskutowaliśmy sugestię Sagana, jednak mieliśmy własne zastrzeżenia: po pierwsze – czy warunki początkowe założone dla dysku przez Sagana były w ogóle możliwe, a po drugie – czy tak prosty model z jakiego korzystał Sagan był w stanie doprowadzić do przewidzenia tej planety. Szczegółowe modele obliczeniowe formowania planet stanowiły specjalność Wetherhilla, opierając się na twardych podstawach analitycznych stworzonych przez Victora Safronova i jego współpracowników. Wetherhill uważał prosty model wykorzystany w 1977 roku za bliższy numerologii niż właściwej fizyce. Dlatego też uprzejmie odmówiliśmy Saganowi uznania się za osobę, która teoretycznie odkryła istnienie 51 Peg b.

Rok później Carl Sagan zmarł w wieku 62 lat na rzadką chorobę szpiku kostnego – to było szokiem dla nas wszystkich, którzy go znaliśmy jako człowieka, który zapoczątkował poszukiwania życia pozaziemskiego. Tak samo jak pamiętam zajęcia w siódmej klasie szkoły podstawowej, podczas których po raz pierwszy usłyszałem o śmierci prezydenta Kennedy’ego w 1963 roku, tak samo pamiętam światła na których stałem gdy usłyszałem w radiu o śmierci Carla. W momencie jego śmierci spis planet pozasłonecznych odkrytych za pomocą spektroskopii dopplerowskiej (patrzhttp://home.dtm.ciw.edu/users/boss/planets.html/) urósł z jednej do siedmiu, z których pięć odkryli Butler i Marcy. Lista potencjalnych egzoplanet rosła w tempie jednej planety miesięcznie. Carl był wizjonerem, który żył wystarczająco długo, aby uchwycić początek odkrywania Ziemi Obiecanej poza Ziemią, lecz nie wystarczająco długo, aby w pełni zrozumieć powszechność planet pozasłonecznych.

51 Peg b nie była w żaden sposób pierwszą odkrytą egzoplanetą. Wcześniej najsławniejszą planetą pozasłoneczną był gazowy olbrzym krążący wokół Gwiazdy Barnarda, czerwonego karła podobnego do Proxima Centauri  – najbliższej nam gwiazdy, będącej częścią układu potrójnego Alpha Centauri AB/Proxima Centauri. Peter van de Kamp ogłosił odkrycie tej planety w 1963 roku. Planeta była o 60% masywniejsza od Jowisza i okrążała swoją gwiazdę macierzystą dwukrotnie dłużej od Jowisza. Ta planeta była dużo bardziej sensowna dla teoretyków niż 51 Peg b i została uznana za rzeczywiste odkrycie. Van de Kamp wykorzystywał metodę astrometryczną do poszukiwania wahań gwiazdy centralnej spowodowanych przez niewidoczną planetę, widocznych na zdjęciach wykonywanych przez dekadę lub dłużej. Dziesięć lat później, w 1973 roku George Gatewood opublikował niezależny zestaw płyt astronomicznych, które wskazywały, że wahania, które van de Kamp uważał za spowodowane przez planetę krążącą wokół Gwiazdy Barnarda były spowodowane przez zmiany w 24-calowym refraktorze wykorzystywanym przez van de Kampa i przez emulsje fotograficzne wykorzystywane do wykonywania ekspozycji. Zatem w 1973 roku nie było ani jednego dobrego przykładu planety poza Układem Słonecznym – przez co teoretycy musieli ponownie skupić się wyłącznie na zagadkach związanych z formowaniem się naszego własnego zestawu planet skalistych, gazowych i lodowych.

W ciągu dwudziestu lat dzielących rok 1973 i 1995 pojawiały się także inne informacje o odkryciach planet pozasłonecznych. Gordon Walker i Bruce Campbell w 1983 roku rozpoczęli jedno z pierwszych poszukiwań planet pozasłonecznych metodą spektroskopii dopplerowskiej. Po dwunastu latach obserwacji, na początku 1995 roku opublikowali swój końcowy artykuł, w którym stwierdzili, że nie znaleźli żadnych dowodów na istnienie planet o masie większej od masy Jowisza. W 1988 roku myśleli, że udało im się odkryć dowód istnienia Jowisza krążącego wokół Gamma Cephei, jednak po zebraniu większej ilości danych w 1992 roku wycofali się z tego twierdzenia. Przypadek istnienia planety wokół Gamma Cephei pozostaje wciąż tematem dyskusji (patrzhttp://exoplanet.eu/catalog/gamma_cephei_b/).

W 1988 roku pojawiła się kolejna detekcja dopplerowska obiektu krążącego wokół gwiazdy HD114762. Za tym odkryciem stali David Latham oraz Michel Mayor. Jednak ten obiekt charakteryzował się masą minimum 11 mas Jowisza, niebezpiecznie blisko krytycznej wartości 13.5 masy Jowisza, która to oddziela brązowe karły od planet typu Jowisz. Brązowe karły są na tyle masywne aby spalać deuter na początkowych etapach swojej ewolucji, podczas gdy planety nie mogą cieszyć się energią generowaną przez reakcje fuzji wodoru (see http://home.dtm.ciw.edu/users/boss/definition.html/).Aleksander Wolszczan oraz Dale Frail skorzystali z najbardziej egzotycznej metody odkrywania obiektów o masie planety: w 1992 roku opublikowali dowody opierające się na precyzyjnych pomiarach radiowych pulsów emitowanych przez pulsar PSR1257+12 dowodzące istnienia nie jednej a dwóch  planet o masie równej kilku masom Ziemi. Fakt, że te obiekty znajdują się w zabójczym polu promieniowania gwiazdy neutronowej, która prawdopodobnie powstała wskutek eksplozji supernowej sprawiał, że było to wyjątkowo ciekawe odkrycie, jednak mało interesujące dla tych, których celem było poszukiwanie potencjalnie przyjaznych dla życia planet o masie bliskiej masie Ziemi krążącej wokół gwiazdy podobnej do Słońca.

W 2004 roku Butler wraz ze współpracownikami ogłosił odkrycie pierwszej planety pozasłonecznej nowej klasy: super-Ziemi. Zespół wykazał, że karzeł M o nazwie Gliese 436 ma towarzysza w postaci planety o masie zaledwie 21-krotnie większej od Ziemi, masie która wskazywała, że planeta nie była gazowa, a skalista. Przeglądy wykonywane za pomocą spektroskopii dopplerowskiej umożliwiły odkrycie setek planet pozasłonecznych i super-Ziem w kolejnych latach. De facto było ich na tyle dużo, że w 2009 roku uznano, że około 1/3 wszystkich karłów M posiadała w swoim otoczeniu super-Ziemie. Karły M charakteryzują się masą sięgającą 1/2 masy Słońca, dużo niższą mocą promieniowania przez co ekostrefa znajduje się dużo bliżej gwiazdy niż w przypadku Słońca. Jednocześnie te wyjątkowo wysokie szacunki liczby planet krążących wokół karłów M dawały nadzieję, że tak samo dużo planet może krążyć wokół karłów G takich jak Słońce.

Dowiedzenie tego przypadło pierwszemu teleskopowi kosmicznemu zaprojektowanemu przez NASA specjalnie do wykrywania planet pozasłonecznych – Kosmicznemu Teleskopowi Kepler (patrz: http://kepler.nasa.gov/). Kepler był swego rodzaju dzieckiem Williama Boruckiego, który przez dekady starał się przekonać kolegów (i NASA) o niesamowitej mocy kosmicznego teleskopu przeznaczonego do odkrywania planet pozasłonecznych metodą fotometrii tranzytowej. Wysłany w przestrzeń kosmiczną w marcu 2009 roku teleskop Kepler postokroć wynagrodził swój koszt amerykańskim podatnikom, którzy ufundowali jego rozwój i misję – odkrywając prawie 5000 kandydatów na planety pozasłoneczne (koszt wykrycia każdej z nich to około 100 000 USD) i 1000 już potwierdzonych planet. Kepler dowiódł, że planety pozasłoneczne są wszędzie, także wokół gwiazd takich jak karły G, i to w ogromnych ilościach. Szacunki wskazują, że w naszej galaktyce może przypadać nawet jedna planeta podobna do Ziemi na każdą gwiazdę.

Jako osoba, która przeżyła wzloty i upadki historii odkrywania planet pozasłonecznych, zawsze jestem poruszony tym odkryciem, często zachwyt nim odbiera mi głos podczas publicznych wykładów. Nie mogę sobie wyobrazić, aby Carl Sagan nie czuł się tak samo, gdyby dożył naszych czasów i poznał obfitość kosmicznej Ziemi Obiecanej. Teraz nie marzymy już tylko o bladoniebieskich kropkach (pale blue dot), lecz także o bladozielonych kropkach wskazujących na chlorofil na ich powierzchni, o nieodległych w czasie przyszłych teleskopach kosmicznych zdolnych bezpośrednio obserwować pobliskie planety pozasłoneczne, teleskopach wystarczająco silnych, aby badać skład chemiczny atmosfer tych planet w poszukiwaniu molekuł związanych z planetami przyjaznymi dla życia czy nawet zamieszkałymi. Proxima Centauri to fantastyczny przykład takiej pobliskiej gwiazdy, którą będziemy dokładnie badać w nadchodzących latach.

Carl Sagan żył w czasach, kiedy optymiści pośród nas mieli nadzieję, że może jedna na sto gwiazd może mieć w swoim otoczeniu jakąkolwiek planetę.  Jego słynne określenie Ziemi jako bladoniebieskiej kropki wskazywało na delikatność życia w Drodze Mlecznej, życia być może przykutego do niewielkiego obszaru w potężnej pustce niezainteresowanego wszechświata. Teraz wiemy, że prawie każda gwiazda, którą widzimy na nocnym niebie ma w swoim otoczeniu przynajmniej jedną planetę, i że spora część tych planet to planety skaliste krążące wystarczająco blisko swojej macierzystej gwiazdy, aby były na nich warunki sprzyjające rozwijaniu się życia. Poszukiwanie planety w ekosferze wokół Proxima Centauri jest naturalnym skutkiem swoistej eksplozji wiedzy o planetach pozasłonecznych, którą ludzie posiedli w ciągu ostatnich zaledwie dwudziestu lat z miliona lat naszego istnienia jako gatunku na Ziemi. Jeżeli bladoczerwone kropki znajdują się na orbicie wokół Proximy – z pewnością je znajdziemy, niezależnie czy znajdują się w ekosferze czy nie.

O autorze. Dr Alan Boss jest badaczem w Carnegie Institution for Science’s Department of Terrestrial Magnetism. To międzynarodowej sławy astrofizyk teoretyczny, którego główne zainteresowania zawodowe skupiają się na procesach formowania gwiazd, ewolucji mgławicy słonecznej i innych dysków protoplanetarnych, Opublikował dwie książki traktujące o poszukiwaniu planet pozasłonecznych: “Looking for Earths: The Race to Find New Solar Systems” w 1998 roku oraz “The Crowded Universe: The Search for Living Planets” w 2009 roku. Boss aktualnie jest Dyrektorem NASA Exoplanet Exploration Program Analysis Group, oraz Dyrektorem NASA Exoplanet Technology Assessment Committee oraz WFIRST/AFTA Coronagraph and Infrared Detectors Technology Assessment Committees.

Tłumaczenie: Puls Kosmosu

Link do oryginału: http://palereddot.org/pl/pale-blue-dot-pale-red-dot-pale-green-dot/

Puls Kosmosu odpowiada za polską wersję strony projektu Pale Red Dot – programu poszukiwań skalistej planety wokół najbliższej nam gwiazdy Proxima Centauri.