Polowanie na “bezgwiezdne” planety w naszej galaktyce

Autor: Dante Minniti, Universidad Andrés Bello

Planety pozasłoneczne to nazwa nadana wszystkim ciałom o masie planet, które krążą wokół gwiazd innych niż Słońce. Jak dotąd, udało się odkryć mnóstwo planet pozasłonecznych, a wśród nich są takie, które należą do całych układów planetarnych krążących wokół jednej gwiazdy. Jak dotąd rekordową gwiazdą pozostaje Słońce, wokół którego krąży 8 dobrze znanych planet, jednak podejrzewamy, że takich układów planetarnych jak nasz może być dużo więcej w Drodze Mlecznej, a nawet mamy dowody wskazujące na to, że wokół gwiazdy HD10180 krąży 9 planet.

Jednak nawet jeżeli planety powstają wokół gwiazd, mogą zostać wyrzucone ze swojego układu macierzystego, a tym samym stać się odizolowanymi planetami błąkającymi się w próżni przestrzeni międzygwiezdnej. Tego typu ciała nazywamy planetami samotnymi, globami które samotnie przemierzają naszą Galaktykę.

Dlaczego przypuszczamy, że w przestrzeni międzygwiezdnej mogą znajdować się swobodne planety? Ze względu na sposób w jaki powstają i ewoluują układy planetarne. Wiele protoplanet powstaje w dysku protoplanetarnym, a następnie przechodzi przez faże zderzeń i przetasowań zanim powstanie stabilny i ostateczny układ planetarny. Podczas gdy jedne łączą się formując planetarne olbrzymy, a inne opadają na gwiazdę i ulegają zniszczeniu, podejrzewamy, że wiele innych całkowicie opuszcza swoje układy planetarne. W rzeczywistości liczba samotnych planet w naszej Galaktyce może przewyższać liczbę planet związanych z gwiazdami. Jednak jak na razie tego nie wiemy…

Znacznie łatwiej powstać planecie w zewnętrznych rejonach dysku protoplanetarnego, gdzie obiekty są lżej związane z gwiazdą i dużo łatwiej im uciec od przyciągania grawitacyjnego gwiazdy macierzystej wskutek bliskiego przejścia innych planet dysku lub nawet bliskiego przejścia innej gwiazdy (nie zderzenia, które akurat są rzadkie między gwiazdami).

ffloatingearthWizja artystyczna samotnej planety rozmiaru Ziemi przemierzającej naszą galaktykę. Źródło: J. B. Pullen.

Także z punktu widzenia nauki ważne jest poznanie liczby takich obiektów w przestrzeni – to pozwoli nam przetestować nasze idee (teorie) formowania planet. Czy jest to liczba podobna do liczby planet znajdujących się w układach planetarnych? Czy może są to rzadkie przypadki, np. 10 razy rzadsze? Czy też może są one znacznie liczniejsze, 10 razy liczniejsze? Poza tym – równie interesująca kwestia – czy małe skaliste planety swobodne są liczniejsze niż samotne gazowe olbrzymy? Ostatnie pytanie jest szczególnie ciekawe, bowiem niektóre teorie formowania Układu Słonecznego wskazują, że powstało w nim dużo więcej planet, a większość z nich została wyrzucona z Układu Słonecznego wskutek kolizji.

Wiemy, że samotne planety powinny znajdować się w przestrzeni międzygwiezdnej, bo kilka już dało się wykryć w młodych gromadach gwiazd. Bardzo młode, dopiero co powstałe planety przez krótki okres czasu (astronomicznie krótki: kilka milionów lat) emitują światło tak jak gwiazdy, zanim ostygną i staną się zbyt ciemne, aby można było je wykryć z naszego punktu w przestrzeni przy użyciu obecnych technologii. Tego typu ciała to bardzo młode olbrzymie planety, które choć ciemne – wciąż mogą być wykryte w podczerwieni zanim dojrzeją i ich powierzchnia ostygnie.

Jednak uważamy, że dużo więcej samotnych planet czeka na odkrycie. Głównym problemem w poszukiwaniu takich samotnych planet jest fakt, że starsze planety takie jak Ziemia są małe i ciemne, i same z siebie nie emitują żadnego promieniowania. Są one na tyle ciemne, że niemożliwe jest ich wykrycie na zdjęciach w zakresie optycznym czy w bliskiej podczerwieni wykonanych nawet za pomocą największych dostępnych aktualnie teleskopów (VLT, Keck, Gemini itd.) lub nawet teleskopów przyszłości (JWST, GMT, TMT, EELT). Niektóre z tych planet mogą emitować promieniowanie w zakresie radiowym, jednak byłoby one na tyle słabe, że byłyby niewykrywalne nawet za pomocą najsilniejszych radioteleskopów takich jak Arecibo czy ALMA.

No to jesteśmy ugotowani – nie możemy bezpośrednio wykryć tych słabych, samotnych planet. Niemniej jednak wciąż musimy się dowiedzieć czy samotne planety istnieją i jeżeli tak – jak są liczne.

Jednak nie traćmy nadziei, astronomowie czasami potrafią znaleźć sprytne rozwiązanie potencjalnie nierozwiązywalnego problemu. Istnieje bowiem technika pośrednia. Pośrednia w tym względzie, że nie prowadzi do uwiecznienia planety na obrazie, ale może wykryć wpływ grawitacyjny ciała o masie planety. Ojcem tej idei jest nie kto inny jak Albert Einstein. Przewidział on, że światło emitowane przez odległy obiekt zostanie zakrzywione przechodząc blisko masywnego obiektu.  Dzieje się tak, ponieważ masywne obiekty odkształcają przestrzeń i czas. Technika ta zwana jest mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. W ramach tej techniki mierzy się pojaśnienie odległego źródła spowodowane zakrzywieniem promieni światła przez masywną soczewkę przechodzącą na jej tle. Pomiar mikrosoczewkowania składa się z wykrycia zmiany jasności odległego obiektu (zwanego źródłem) w linii widzenia obserwatora (nas czy naszych teleskopów).

vvv_microlensing1Przykład mikrosoczewkowania zaobserwowanego w przeglądzie VVV przedstawionego na wykresie jasności w funkcji czasu. Wzrost i spadek jasności gwiazdy spowodowany jest przejściem przed nim innego masywnego obiektu.

Niemniej jednak wcale nie jest tak łatwo. Skala czasowa mikrosoczewkowania spowodowanego przez przejście samotnej planety jest bardzo krótka, rzędu kilku godzin, w przeciwieństwie do tego spowodowanego obiektem o masie gwiazdy, które trwa tygodnie czy miesiące. Skala czasowa jest tutaj krytycznym pomiarem, jednak jeżeli będziemy w stanie wykryć i zmierzyć te krótkotrwałe pojaśnienia, możemy wykryć planety takie jak Ziemia czy nawet mniej masywne – jak Mars, czy jeszcze mnie masywne. To bardzo trudny do wykonania pomiar ponieważ wymaga w praktyce bezustannego obrazowania dziesiątek milionów gwiazd.  Można sobie łatwo wyobrazić, że tego rodzaju obserwacje prowadzą w krótkim czasie do powstania gigantycznych baz danych i problemów technicznych w obróbce tych danych.

Kilka grup badaczy jednak przeciera szlaki w tej dziedzinie, odkrywając tysiące takich zdarzeń mikrosoczewkowych (OGLE, MOA, MACHO, itd.). Niemniej jednak, krótkotrwałych sygnałów spowodowanych mikrosoczewkowaniem na naszej potencjalnej samotnej planecie wciąż nie ma. Czy dlatego, że one nie istnieją? Czy też może dlatego, że aktualnie prowadzone eksperymenty nie są w stanie wykryć zjawisk zachodzących w tak krótkiej skali czasowej? Wydaje nam się, że jednak to ostatnie. Mimo, że dowody na istnienie samotnych planet są wciąż słabe uważamy, że jest ich bardzo dużo i powinniśmy doprecyzować nasze narzędzia wykorzystywane do ich poszukiwania.

Wkrótce misja K2 da nam nadzieję na odkrycie takich planet swobodnych w kierunku centralnych obszarów naszej Drogi Mlecznej – jej zgrubienia centralnego. Ta wydłużona faza misji kosmicznego teleskopu Kepler będzie obserwowała pole w kierunku zgrubienia centralnego, gdzie znajduje się bardzo dużo gwiazd.

Z drugiej strony przez ostatnich kilka lat prowadzony jest przegląd zgrubienia centralnego Drogi Mlecznej zwany VVV survey (vvvsurvey.org) wykorzystujący znajdujący się w Obserwatorium Paranal  teleskop VISTA pracujący w bliskiej podczerwieni. Rewelacyjnie byłoby móc wykonać jednoczesne obrazowanie w bliskiej podczerwieni pola obserwowanego przez K2 w celu scharakteryzowania źródeł. Połączenie danych zebranych w zakresie optycznym i podczerwonym dałoby bardzo wszechstronne narzędzie pomiaru właściwości gwiazd. Znając parametry gwiazd (jasności, odległości, poczerwienienie itd.) moglibyśmy scharakteryzować rzadkie zjawiska mikrosoczewkowania spowodowane samotnymi planetami i jednocześnie zmierzyć masy planet za nie odpowiadających. Gdyby udało się odkryć wiele takich planet, moglibyśmy pokusić się o zaktualizowanie danych szacunkowych i określenie np. czy swobodnych Ziem jest więcej niż swobodnych olbrzymów. Obserwacje zgrubienia w ramach K2 zostaną przeprowadzone w okresie kwiecień-maj tego roku, więc bądźcie przygotowani na informacje o samotnych planetach!

vvv_galaxy2Region Drogi Mlecznej badany w ramach przeglądu VVV obejmujący także centrum galaktyki.

No i w końcu – poszalejmy i rozważmy możliwość życia na swobodnych planetach. To czyste spekulacje jednak ja przyjmuję, że tego typu obiekty są jednymi z najbardziej obiecujących nośników życia. W toku swojej podróży przez Drogę Mleczną mogą bowiem rozsiewać życie na swojej drodze. Głównym problemem w utrzymaniu życia takiego jakie znamy na samotnej planecie jest brak głównego źródła energii: gwiazdy macierzystej. Niemniej jednak, gdy planety typu ziemskiego powstają – są bardzo gorące. Z czasem skały magmowe na powierzchni ulegają ochłodzeniu. Proces chłodzenia trwa miliardy lat w zależności od pierwotnej masy planety. Przykładowo nasza Ziemia ma aktualnie ok. 4.5 miliarda lat i jeszcze całkowicie nie ostygła. Dowodem na to są wulkany, procesy tektoniczne i fakt, że badania sejsmologiczne wskazują, że jądro naszej planety jest wciąż płynne.

Owa aktywność wulkaniczna może być trwałym źródłem energii dla życia na samotnej planecie. Fakt ten nie powinien być zaskoczeniem, wszak kominy geotermiczne w głębinach oceanicznych wciąż utrzymują przy życiu szeroką paletę organizmów. W rzeczywistości, gdyby w jakiś sposób Ziemia utraciła Słońce, oceany zamarzłyby – jednak tylko na powierzchni. W głębinach pozostałyby w stanie ciekłym przez wiele miliardów lat.

To zupełnie inna sytuacja niż w przypadku planetoid czy planet karłowatych, które także mogą znajdować się w przestrzeni międzygwiezdnej lecz są tylko chłodnymi obiektami. Jakiekolwiek formy życia na ich powierzchni musiałyby praktycznie przetrwać chłód próżni i hibernację trwającą miliardy lat, aby mogły być nośnikiem życia. Dlatego też samotne planety stanowią lepsze nośniki życia, a przecież mogą być ich miliony (lub miliardy!).

A dla tych z Was, którzy lubią popuścić wodze fantazji – rozważcie coś takiego: wystarczająco zaawansowana, technologiczna cywilizacja może chcieć celowo uwolnić swoją planetę od gwiazdy macierzystej. Pozwoliłoby to jej swobodnie podróżować przez Galaktykę. De facto, za kilka miliardów lat nasze Słońce zacznie puchnąć przechodząc w stadium czerwonego olbrzyma i pochłaniając wewnętrzne planety Układu Słonecznego. W celu zachowania naszej planety możemy chcieć uwolnić ją od gwiazdy macierzystej zanim ta przejdzie w stadium czerwonego olbrzyma. Oczywiście jeżeli będziemy mieli wystarczającą do tego technologię (ilość energii potrzebna do takiego manewru jest niewyobrażalna), i jeżeli postanowimy, że nie chcemy stracić naszej Ziemi, gdzie ma swój początek historia całej Ludzkości. Możemy wtedy zdecydować się na opuszczenie naszego Słońca i rozpocząć życie na samotnej planecie. Mamy do wyboru albo to, albo całkowite upieczenie Ziemi.  Podróżowanie przez Drogę Mleczną na samotnej Ziemi to marzenie przyszłych astronomów. Nie wiem jak Wy, ale ja chciałbym zachować nasze dziedzictwo w ten sposób…

Mail Attachment

O autorze.  Dante Minniti jest profesorem na Universidad Andres Bello w Chile oraz adiunktem w Obserwatorium Watykańskim we Włoszech. Studiował astronomię na Universidad Nacional de Cordoba w Argentynie, a tytuł doktora otrzymał w 1993 roku na University of Arizona (USA). W latach 1993-1996 pracował w European Southern Observatory, a w latach 1996-1998 w Lawrence Livermore National Laboratory. Dante jest członkiem zespołu MACHO od 1996 roku oraz kierownikiem zespołu badawczego VVV od 2006 roku.  Do jego głównych zainteresowań naukowych należą: planety pozasłoneczne, astrobiologia, gromady kuliste, populacje gwiezdne, ewolucja gwiazd, mikrosoczewkowanie grawitacyjne, formowanie galaktyk oraz budowa galaktyk. Jest autorem ponad 300 publikacji cytowanych ponad 12000 razy w literaturze naukowej.

3 thoughts on “Polowanie na “bezgwiezdne” planety w naszej galaktyce”

  1. There are several suggestions on how you might have biospheres on nomadic planets. Of course, such planets could have internal “insulated” oceans, such as the one we think exists under the ice of Europa. Abbot and Switzer call these “Steppenwolf” planets (Ap J Letters, 735:L27, 2011), they could be powered by natural radioactivity, or by tidal effects (if the planet has a moon, or is a moon of a larger planet). Intriguingly, Stevenson* points out that a sufficiently large “super Earth” with a predominately hydrogen atmosphere could trap enough heat to support liquid water oceans on its surface. Because there should be nomadic planets closer to Earth than the nearest stars, I predict that the closest biospheres to Earth will actually reside in nomadic planets, not orbiting a star.**

    * http://www.nature.com/nature/journal/v400/n6739/abs/400032a0.html

    ** https://www.researchgate.net/publication/268224914_Nomadic_Planets_Near_the_Solar_System

  2. “A few groups have been pioneering in this field, discovering thousands of microlensing events so far (OGLE, MOA, MACHO, etc.). However, the short timescale microlensing signals due to our putative free floating planets are lacking.”

    To clarify, lacking in the surveys, but not entirely lacking!? I haven’t kept up with the results from this field beyond early frequency estimates which were very useful, But I seem to remember early estimates from lucky finds of ~ 1 nomad/star, and Asteroid Initiatives last reference confirms both microlensing detection and at least the same frequency (of Jupiter massed nomads).