ISSN: 2658-2740

Webb pozwolił odkryć egzoplanetę

Para-Nauka Adam Cebula - 18 stycznia 2023

Źródło: esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb/Webb_confirms_its_first_exoplanet

Przez strony internetowe przetoczyła się fala informacji o wykryciu przez Teleskop Webba jego pierwszej egzoplanety. Wcześniej był używany do obserwacji układów gwiezdnych, w których planety już odkryto za pomocą innych instrumentów. Ostatnio znaleziono obiekt oznaczony LHS 475 b na, którego istnienie jedynie wskazywały dane uzyskane przez Transiting Exoplanet Survey Satellite.

Odkrycie jest o tyle fascynujące, że planeta ma mieć rozmiary odpowiadające 99% rozmiarów Ziemi, jest planetą skalistą i – jak się zdaje – posiada atmosferę. Jest gorąca jak Wenus, na jej powierzchni panuje temperatura kilkuset stopni, obiega swoje słońce w czasie około dwóch dni. Dzieje się tak dlatego, że gwiazda, której towarzyszy, jest czerwonym karłem.

W szybkości zamieszczania sensacyjnych niusów nie mamy szans z agencyjnymi portalami. Natomiast warto chyba zatrzymać się nad kilkoma kwestiami, o których sensacyjne teksty milczą. I owszem, sporo z nich jest oczywistych, lecz raczej tylko dla astronomów.

Sprawa pierwsza: czemu poszukiwanie pozaziemskich planet jest takim wyzwaniem? Przecież każdy, kto ma trochę orientacji w konfiguracji nieba, może zwykle po prostu wyjrzeć przez okno, by zobaczyć na niebie czy to Jowisza, czy Wenus – zwykle bardzo jasną – czy Saturna, czy Marsa.

Zagadnienie, jak zobaczyć jak najwięcej za pomocą instrumentów optycznych, sięga przynajmniej czasów teleskopu Heweliusza.

Panowała wówczas koncepcja, że jedyny parametr, o jaki chodzi, to powiększenie. Wystarczy zrobić dość długi instrument, a zobaczymy ludzi na Księżycu. Że sprawy są o wiele bardziej skomplikowane, okazało się, gdy w roku 1807 Thomas Yuong wykonał doświadczenie, które po pierwsze, wykazało, że światło jest falą, po drugie, udało się w nim zmierzyć przybliżoną długość fali światła.

Wraz z podaniem kryterium Rayleigha przez lorda Rayleigha wiemy, że tym, co stanowi fizyczny problem, jest zdolność rozdzielcza, która jest wyznaczona przez proporcje długości fal, na jakich pracuje instrument, do jego optycznej średnicy. To ograniczenie da nam odpowiedź, dlaczego nie uda nam się zobaczyć planety, która – jak  Merkury – przelatuje przed tarczą gwiazdy. Nie mamy szans na to, by widzieć gwiazdę inaczej niż jako świecący punkt.

Opowiadając o obserwacjach astronomicznych, niestety nie sposób uniknąć tej budzącej grozę w słuchaczach opowieści, że faktycznie we wszystkich instrumentach mamy do czynienia z obrazami interferencyjnymi. To słówko „interferencyjne” jest straszne. Nawet w aparacie fotograficznym telefonu komórkowego to interferencja decyduje. Gdy w jakimś punkcie matrycy powstaje jasna plamka, obraz gwiazdy wynika z tego, że fale biegnące od niej do nośnika, który je rejestruje, spotykają się w tej samej fazie, to znaczy obrazowo górka z górką, dolina z doliną. Zaś aby wokół plamki powstał ciemny obszar, muszą się spotykać górki z dolinami, czyli fale w przeciwfazie. Tak, jeśli ktoś by zauważył, że w pewnej odległości od plamki ponownie spotka się górka z górką, ma rację. Wokół plamki gwiazdy powstaje pierścień interferencyjny. Tyle że znacznie słabszy.

Kryterium Rayleigha pozwala wyszacować rozmiar zwierciadła teleskopu, które „styknęłoby” z zadaniem zaobserwowania tarczy gwiazdy. To prosty wzór R=1,22*l/D. Gdzie R to odległość kątowa dwóch obiektów, które chcemy zobaczyć, l to długość fali, w jakiej prowadzimy obserwacje, D – średnica zwierciadła teleskopu. Najbliższa gwiazda,  Proxima Centauri, jest odległa 4,24 lat świetlnych. Rok świetlny to ok. 10 metrów do potęgi 16. Możemy wyliczyć rozmiar kątowy tarczy gwiazdy w radianach, zakładając, że ma około 1 milion kilometrów średnicy (jak Słońce). Z prostego rachunku wynika, że dla średnicy teleskopu ok. 120 metrów zaczynamy mieć szansę w takich warunkach widzieć gwiazdę złożoną z 2 plamek interferencyjnych.

Niestety, aby „uczciwie” powiedzieć, że widzimy tarczę gwiazdy, pewnie potrzeba tak ze dwanaście plamek na całej średnicy tarczy. O ile metodą syntezy apertury daje się budować teleskopy o zastępczej średnicy zwierciadła ok. 100 metrów, to średnica 1,5 kilometra przy dzisiejszej technologii, już nie wchodzi w rachubę.

Niestety, odkryta planeta krąży wokół gwiazdy w odległości ponad 40 lat świetlnych. Czyli średnica zwierciadła powinna być 40 razy większa.

Jest kolejny problem dla teleskopów położonych na Ziemi: mamy potężną przeszkodę w postaci atmosfery. Dość dobrze znany jest tzw. seeing.  To „bieganie” obrazu spowodowane zmianami gęstości powietrza. W Polsce (za portalem Urania) ten efekt jest zwykle nie mniejszy niż 2-3 sekundy kątowe łuku. To osobny kłopot, czyli mieszanie jednostek, raz mierzymy katy w radianach, raz tradycyjnie w stopniach. Musimy się z tym pogodzić. Ten efekt, widoczny gołym okiem jako migotanie (migoczą gwiazdy, a planety nie, taka ciekawostka) jest m.in. kolejnym powodem budowania obserwatoriów w Chile, gdzie jego wielkość spada do 0,6 sekundy kątowej. Walczy się z nim metodą aktywnej optyki, a najlepszym rozwiązaniem jest oczywiście wysłanie teleskopu w kosmos.

To nie jest jedyna przyczyna. Atmosfera wycina pewne długości fal światła, część z nich także osłabia. To dramatycznie utrudnia wykonywanie tzw. analiz spektralnych, które informują nas o pierwiastkach i związkach chemicznych zawartych w atmosferach i gwiazd i np. obłokach gazowych, jakie są na drodze światła.

Oczywiście wyliczenia, które przeprowadziliśmy dla  kryterium Rayleigha, pokazują, że w kosmosie z tymi przyrządami, jakie mamy, nie ma szans na „widzenie” tarcz gwiazd ani tym bardziej planet.

Wykrywanie planet prowadzi się metodą rejestrowania efektu nieznacznego osłabienia siły światła obserwowanej gwiazdy w momencie gdy na tle jej tarczy pojawi się planeta. O ile nie dajemy rady metodami najbardziej oczywistymi, nie potrafimy zobaczyć niczego poza świetlną plamką, to pomiary natężenia światła, zwłaszcza prowadzone bezpośrednio w kosmosie, można  wykonać bardzo precyzyjnie.

Czego nie mówi się w doniesieniach? Prawdopodobnie ważną rolę odegrała możliwość obserwacji w podczerwieni. Gwiazda ma widmo przesunięte ku długim falom, ważną rolę odgrywa też możliwość  analizowania rejestrowanego widma. Tu zapewne kryje się możliwość pozyskania informacji o atmosferze planety. Prawdopodobnie uczeni liczą na zarejestrowanie tego momentu, gdy na tarczę gwiazdy nasunęła się atmosfera, ale jeszcze nie zaczęła jej przesłaniać skalista atmosfera planety.

Metoda obserwacji zmian światła gwiazdy nie jest jedynym  sposobem poszukiwania egzoplanet. Są ich cztery, wymagają jednak bardzo czułej specjalistycznej aparatury.

W nielicznych przypadkach, mimo naszych bardzo pesymistycznych wyliczeń, udało się dokonać bezpośrednich obserwacji planet krążących wokół gwiazd innych niż Słońce. Jedną chyba najbardziej znanych jest  Beta Pictoris b .Takich przypadków mamy (za Wikipedią) 187. Jest to jednak możliwe, gdy te planety są bardzo masywne, zaś ich orbity mają wielkie średnice. Planeta Beta Pictoris b ma rozmiar (średnicę) ok. 1,65 średnicy Jowisza, średni promień orbity szacowany na 9 jednostek astronomicznych, gdy promień orbity Jowisza wynosi około 5.

Co warto dodać, pierwsze obserwacje sugerujące możliwość istnienia planet pozasłonecznych przypadają na połowę XIX wieku. Jedną pierwszych metod wykrywania układów planetarnych miały być precyzyjne pomiary położenia gwiazd. Przeszkodą jest tu owa wyliczona wyżej rozdzielczość kątowa, która ogranicza metodę do bliskich obiektów. Inną, na pierwszy rzut oka karkołomną, która jednak  omija ten problem, jest wykorzystanie efektu Dopplera. Gwiazda i planeta krążą wokół wspólnego środka masy. Ruch gwiazdy można wykryć, obserwując linie spektralne pierwiastków, które zwykle daje się znaleźć w widmie jej światła. Ruch powoduje zmianę obserwowanej częstotliwości linii. Dzięki temu, że powinny one  bardzo precyzyjnie odpowiadać temu, co zmierzyliśmy w ziemskim laboratorium (gdyby źródło światła było nieruchome), możemy wyznaczyć na podstawie odchyłek, jak porusza się gwiazda.

Strony: 1 2

Mogą Cię zainteresować

Adam Cebula „Struktura chaosu, czyli uśmiech local guru”
Para-Nauka Adam Cebula - 15 maja 2015

Człowiek boi się chaosu. Dlaczego? Bo dzieją się rzeczy nieprzewidywalne. Gdy jest jakiś porządek,…

Adam Cebula „Pamięci świetnych wynalazków, czyli o fantastyce w futurologii”
Para-Nauka Adam Cebula - 14 grudnia 2015

Niektóre wynalazki istnieją chyba tylko po to, żeby sobie o nich pogadać? Coś w tym jest… Dziś…

Adam Cebula „O tym, jak fantastycy, pisząc o nazistach, mogą uratować świat”
Felietony Adam Cebula - 28 września 2020

Operacja Dragoon, drugi desant aliantów w południowej Francji przeprowadzona 15 sierpnia 1944…

Fahrenheit