Nauki przyrodnicze [2025-02-24]

Dwie dekady łowców planet

— Żaneta Kopczyńska

Oprócz trzech okrągłych rocznic celebrowanych w ramach Roku Jubileuszy UMK swój powód do świętowania mają także poszukiwacze planet związani z naszym uniwersytetem. Ich spektakularna działalność trwa już 20 lat.

Rozmowa z prof. Andrzejem Niedzielskim z Instytutu Astronomii UMK oraz prof. Aleksandrem Wolszczanem z Pennsylvania State University

Żaneta Kopczyńska: Mija 20 lat od rozpoczęcia Pensylwańsko-Toruńskiego Projektu Poszukiwania Planet. Na początku XXI w. badania w tym obszarze były nowatorskie – niewielu naukowców się nimi zajmowało, w związku z tym niewiele było też odkryć w tej materii. Byliście prekursorami tego typu obserwacji. Jak doszło do nawiązania współpracy i rozpoczęcia pracy nad tym, jak się okazuje po wielu latach, przełomowym projektem?

Prof. Aleksander Wolszczan: Zaczęło się od Space Interferometry Mission. NASA postanowiła zbudować instrument złożony z kliku wspólnie pracujących teleskopów, tzw. interferometr. Jego celem było poszukiwanie egzoplanet podobnych do Ziemi. Ostrość widzenia miał mieć niesamowitą, dlatego możliwa byłaby rejestracja ruchów gwiazd spowodowanych przez istnienie planet orbitujących wokół nich. Byłem zaangażowany w ten projekt. Wymagał on przejrzenia ogromnego atlasu gwiazd, żeby w tych poszukiwaniach mieć standardy odniesienia.

Żeby bowiem mierzyć pozycję gwiazdy bardzo dokładnie, trzeba mieć jakieś gwiazdy odniesienia, w stosunku do których te pomiary się porównuje. Takie gwiazdy nie mogą mieć żadnych planet ani towarzyszy gwiazdowych – żeby pełnić funkcje odniesienia, muszą być stałe. Stworzyliśmy więc trzy grupy, żeby zbadać, czy gwiazdy z listy standardów astrometrycznych nie mają niepożądanego towarzystwa. Dosyć szybko przyszło mi do głowy, że tego rodzaju program można też wykorzystać do poszukiwania planet. Czyli przyjrzeć się gwiazdom, które nie spełniają standardów astrometrycznych, czy nie ma wokół nich planet. To także ciekawe z punktu widzenia tego, jak gwiazdy ewoluują, stając się coraz starsze, większe i mniej stabilne.

20 lat temu programy poszukiwania planet wokół gwiazd właściwie nie funkcjonowały, było to więc pewnym wyzwaniem. Jako radioastronom nie miałem zbyt dużego pojęcia, jak się mierzy widma gwiazd, innymi słowy – jak robi się spektroskopię gwiazd. Pomyślałem więc o koledze z Torunia i zapytałem, czy jest zainteresowany.

Długo się Pan chyba nie zastanawiał?

Prof. Andrzej Niedzielski: Zajmowałem się wtedy czymś zupełnie innym, ale gdy przyszedł prof. Wolszczan i zaproponował mi wspólne poszukiwania planet, to takiej oferty nie mogłem odrzucić. To była pionierska robota. Zaczęliśmy intensywne obserwacje teleskopem Hobby-Eberly w Teksasie – to sprzęt stworzony do takiej pracy. Dużo się uczyliśmy, ale też i naukowcy z Teksasu dużo uczyli się od nas, ciesząc się, że to właśnie ich teleskop jest wykorzystywany do tego zadania. Pracy mieliśmy ogrom – naszemu zespołowi przydzielono ok. tysiąca gwiazd, a cała misja złożona z trzech zespołów szukała czterech tysięcy gwiazd referencyjnych.

Zakładaliście, że projekt będzie trwał tyle lat? Postawiliście za cel liczbę odkrytych planet lub czas, jaki dajecie sobie na obserwacje? A może od początku planem było przyjrzenie się całemu tysiącowi gwiazd?

Prof. Aleksander Wolszczan: Założyliśmy, że będziemy prowadzili obserwacje, jak długo się da. Nie mieliśmy jasno sprecyzowanych oczekiwań, nie mogliśmy ich mieć – do tego czasu było jedno, może dwa tego typu odkrycia, więc trudno było przewidzieć, czego możemy się spodziewać.

Po drugie, wiadomo było, że jeśli znajdziemy planety, to będą one na orbitach długookresowych, wielomiesięcznych bądź nawet wieloletnich. Odnalezienie ich jest więc trudne, a przede wszystkim czasochłonne. Nie było takiej opcji, żebyśmy po trzech miesiącach obserwacji mogli cieszyć się z odkrycia. Musieliśmy uzbroić się w cierpliwość.

Prof. Andrzej Niedzielski: Na pierwsze odkrycie czekaliśmy trzy lata. Myśmy wtedy właściwie nie wiedzieli, czego szukać. Teraz jest inaczej, zwłaszcza jeśli chodzi o odkrycia przy gwiazdach niewyewoluowanych, których okresy orbitalne są bardzo krótkie. Są obserwacje fotometryczne pochodzące od różnych satelitów – w tej chwili bardzo prężnie działa TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite, teleskop agencji NASA – red.), obserwatorzy na Ziemi dostają cynk, że w miejscu obserwacji tranzyty odbywają się np. co trzy godziny lub pięć dni, więc mogą ustawić czas obserwacyjny na teleskopie tak, że w ciągu tygodnia mogą potwierdzić istnienie planety.

Prof. Aleksander Wolszczan: Ale to jest takie nudne [śmiech].

Czyli nie dostajecie cynku, musicie sami wyśledzić planetę przy gwieździe. Jakie przesłanki mówią o tym, że to właściwe miejsce obserwacji, że właśnie przy tej, a nie innej gwieździe jest szansa na odkrycie planety?

Prof. Andrzej Niedzielski: Trzeba jasno to podkreślić. My nie widzimy planet. Sporo już ich odkryliśmy, a żadnej nie widzieliśmy.

Technika, którą my wykorzystujemy, ma tę dobrą cechę, że już po dość niedługim czasie wiemy, czy coś się dzieje w gwieździe, czy nie. Obserwujemy ruch gwiazdy wokół centrum grawitacji potencjalnego układu gwiazda-planeta. Jeśli jest tam planeta, to gwiazda wokół takiego centrum krąży. To może być naprawdę niewielki ruch. I to właśnie taki ruch staramy się odkryć. W obserwacjach widać systematyczne zmiany prędkości takiej gwiazdy, więc trzeba tylko wyczekać cały okres orbitalny, a najlepiej dwa, żeby to zinterpretować. Na bieżąco przestawaliśmy obserwować obiekty, w których nic się nie działo i w ten sposób zawężaliśmy naszą listę. Zostało nam jeszcze ok. 200 obiektów, wokół których mogą znajdować się planety.

Prof. Aleksander Wolszczan: W niektórych sytuacjach widać, że towarzysz naszej gwiazdy kandydata to nie planeta, tylko inna gwiazda. To też jest oczywiście interesujące, ale nie aż tak, jak odkrywanie nowych planet.

Odkrycia planetarne były głównym celem, co jednak jeszcze chcieliście osiągnąć, na jakie pytania szukaliście odpowiedzi, rozpoczynając obserwacje?

Prof. Aleksander Wolszczan: Pytań stawialiśmy wiele. Ciekawiło nas np. co mogłoby się stać z życiem na planetach, na które wpływają przecież procesy związane z ewolucją gwiazd. Gwiazda taka jak nasze Słońce zawsze kończy jako tzw. biały karzeł. Interesowało nas, czy planety mają szansę dożyć do tego, aby być w stanie nadal krążyć wokół białego karła.

Prof. Andrzej Niedzielski: Zanim Słońce przeistoczy się w białego karła, będzie czerwonym olbrzymem, stanie się to za ok. 5 mld lat. Możliwe, że "pożre" wówczas planety z naszego układu, więc nie będzie miało co krążyć wokół białego karła. W międzyczasie musi też wystrzelić mgławica międzyplanetarna – w kosmos zostanie wyrzucona ogromna masa materii. W procesie ewolucji gwiazd dzieje się wiele interesujących rzeczy.

Prof. Aleksander Wolszczan: Strasznych rzeczy. I w tym wszystkim planety musiałyby przetrwać. To zdumiewające, ale my 15-20 lat temu nic o tym nie wiedzieliśmy. Dziś zaś odkrywamy planety wokół białych karłów, czyli planety, które przeżyły tę operację.

Prof. Andrzej Niedzielski: W zeszłym roku okazało się, że nawet przy czerwonych olbrzymach są gorące Jowisze. Wychodzi wiele odpowiedzi na wtedy postawione pytania.

W ciągu 20 lat udało wam się odkryć 33 planety przy 30 gwiazdach. Sporo. Każdemu nowemu odkryciu wciąż towarzyszy dreszczyk emocji, fascynacja?

Prof. Aleksander Wolszczan: To zawsze jest emocja.

Prof. Andrzej Niedzielski: Nie ma nudy. To zawsze jest coś nowego, niepowtarzalnego, nigdy nie wiadomo, jaki układ planetarny nam wyjdzie. Czy będzie typowy, czy może coś innego się pojawi? Na przykład nasz ostatni bardzo nas zaskoczył – po pierwsze dlatego, że to nawet nie była gwiazda z naszej listy. Obserwowaliśmy ją jako jedną z kilkunastu, bo ktoś już wcześniej wokół niej odkrył planetę. Myśmy zbierali dane, by sprawdzić, czy dobrze to robimy i czy wychodzi nam to samo, co innym. I kilku takim obiektom się przyglądaliśmy. Po jakimś czasie okazało się, że oprócz tej odkrytej już wcześniej przez innych planety jest tam coś jeszcze. I udało nam się odnaleźć bardzo dziwną planetę. To więc są zawsze nowe rzeczy. Wyszły nam też w obserwacjach brązowe karły, które obecnie są nawet rzadsze niż planety.

Dziś wiemy już, że prawie każda gwiazda w momencie swoich narodzin zostaje obdarowana układem planetarnym. 20 lat temu zupełnie tego nie wiedzieliśmy.

To szczególnie ciekawe w kontekście prawdopodobieństwa życia w kosmosie.

Prof. Aleksander Wolszczan: W galaktyce mamy dwieście miliardów gwiazd. Według obecnych statystyk planety podobne do naszej Ziemi mogą towarzyszyć ok. czterem proc. z nich. Pomnóżmy to sobie… Prawdopodobieństwo życia zdecydowanie wzrasta. W tym kierunku teraz idą badania. A co się okaże, czas pokaże, wszystko jest możliwe.

Co jest największą przeszkodą?

Prof. Andrzej Niedzielski: Dziś nie jesteśmy w stanie odkryć planety takiej jak Ziemia przy gwieździe takiej jak Słońce. Ogranicza nas technologia. I czas.

Metodą tranzytów, która stała się bardzo popularna po odkryciu gorącego Jowisza, można by teoretycznie odkryć taką planetę. Ale trzeba by obserwację prowadzić latami. Tak, żeby ten jeden tranzyt, bardzo słabiutki, wyłapać. Trzeba by więc wypuścić w kosmos aparaturę, która długimi latami "patrzyłaby" na daną gwiazdę. I tu pojawiają się problemy, choćby z utrzymaniem satelity, po drugie: sygnał mógłby być bardzo słaby, więc nie dawałby pewności.

Prof. Aleksander Wolszczan: Jednym słowem można powiedzieć, że gwiazdy zaczynają przeszkadzać w tym procesie.

Prof. Andrzej Niedzielski: Przy niektórych gwiazdach detekcje są proste. W pewnym momencie część astronomów poszła w kierunku poszukiwań planet przy gwiazdach malutkich, podobnych do Jowisza, czyli czerwonych karłów. Są niewielkie, więc proporcja rozmiarów gwiazdy do rozmiarów planety jest dość korzystna – sygnał jest silny. Do tego stosunkowo mało masywne planety dosyć mocno wybijają te gwiazdy z ich stabilnego położenia, więc i one pokazują bardzo silny sygnał, czyli mocno je rozkręcają. I tam jest teraz najwięcej odkryć.

Prof. Aleksander Wolszczan: Te mało masywne gwiazdy są najliczniejsze, jest ich najwięcej. A po drugie żyją bardzo, bardzo długo.

Prof. Andrzej Niedzielski: Przy czym bardzo długo to jest tyle, co wszechświat.

Czyli jeśli powstałoby tam życie, to mogłoby trwać wiecznie?

Prof. Aleksander Wolszczan: Tak. W przeciwieństwie do planet wokół gwiazd bardziej masywnych.

Prof. Andrzej Niedzielski: Ziemia jest troszeczkę młodsza od Słońca. Pierwsze oznaki życia pojawiły się bardzo szybko, już 3,8  mld lat temu. Czyli ukonstytuowanie życia zajęło jakieś pół miliarda lat. Przez następnych parę miliardów lat dochodziliśmy do tego, żeby to życie stanęło na dwóch nogach i coś tam zaczęło kombinować. Czyli ten proces jest bardzo powolny. W przypadku gwiazd bardziej masywnych niż Słońce ewolucja gwiazd nie pozwala na to, nie ma dość czasu. Po takim okresie będzie czerwonym olbrzymem i zniszczy planetę. A jak pójdziemy do świata małych planet, to tam jest tego czasu wystarczająco. Tylko że… w astronomii jest zawsze jakieś "tylko że…".

Prof. Aleksander Wolszczan: Z jednej strony istnieje bardzo duży entuzjazm, jeśli chodzi o życie wokół czerwonych karłów, z drugiej zaś są z tym duże problemy. Bo "tam" jest inaczej. Żeby umieścić taką planetę w strefie zamieszkiwalnej, w ekosferze, musi być ona blisko gwiazdy, bo te gwiazdy są chłodne. Żeby zaś mieć wodę w stanie ciekłym, trzeba ustawić ją odpowiednio blisko na orbicie. A im bliżej, tym gorzej z punktu widzenia oddziaływań pływowych, co powoduje, że takie planety mają szansę funkcjonować jak nasz Księżyc, czyli pokazywać tylko jedną półkulę gwieździe. Zostają więc uwiązane do gwiazdy, tak jak nasz Księżyc jest uwiązany do Ziemi.

Rodzi się więc pytanie: jak życie, w jakiejkolwiek formie, odpowie na coś takiego? Poza tym są to gwiazdy bardzo aktywne. Nasze Słońce od czasu do czasu wybucha i mamy zorze polarne czy zakłócenia w łączności radiowej, ale w porównaniu do tego, co tam się dzieje, to jest nic. Te planety musiałby być wyposażone w pola magnetyczne dostatecznie silne, żeby być chronionymi przed gwiazdami.

Mnóstwo jest takich rozważań, którą są bardzo skomplikowane. To czyni tak naprawdę całą tę historie jeszcze bardziej intrygującą.

Prof. Andrzej Niedzielski: A zdarzają się takie układy, że mamy przy gwieździe kilka planet w takiej strefie zamieszkiwalnej. Ale to już jest, przynajmniej dzisiaj, science fiction – podróże planetarne. My jesteśmy po drugiej stronie – szukamy planet przy gwiazdach starych, bardziej masywnych. Patrzymy więc, jak będzie wyglądał nasz Układ Słoneczny za pięć miliardów lat.

Prof. Aleksander Wolszczan: Bardzo nieciekawie [śmiech].

Przez 20 lat sporo się zmieniło, nie korzystacie już z Hobby-Eberly. Projekt wciąż jednak trwa. Zamierzacie przyjrzeć się wszystkim gwiazdom z katalogu, który przypadł wam dwie dekady temu?

Prof. Andrzej Niedzielski: Początkowo obserwowaliśmy na Hobby-Eberly – w Teksasie nazywali nas nawet big customers. Wykorzystaliśmy tam naprawdę dużo czasu. Przeczesaliśmy nim właściwie już ten tysiąc gwiazd i wiemy, gdzie już nie musimy patrzeć. Z czasem zaczęto ten teleskop unowocześniać, zdjęto nasz spektograf – z teleskopu planetarnego stał się teleskopem kosmologicznym, musieliśmy poszukać innych narzędzi obserwacyjnych, szukamy czasu obserwacyjnego gdzie indziej. Projekt jednak wciąż trwa, nie przestajemy szukać nowych planet. Tak, jak mówiliśmy: będziemy to robili, ile się da.

Polski akcent na niebie

Z okazji setnych urodzin Międzynarodowa Unia Astronomiczna (IAU) zorganizowała w 2019 r. konkurs IAU100 NameExoWorlds, w którym każdy zrzeszony w niej kraj mógł wyłonić nazwę dla przydzielonej mu planety i gwiazdy.

Polsce przypadł układ BD+14 4559, którego sercem jest pomarańczowy karzeł i krążący wokół niego BD+14 4559 b. Planetę tę udało się odkryć właśnie dzięki polsko-amerykańskiemu programowi, a to konkretne odkrycie należy do prof. Andrzeja Niedzielskiego, dr. Grzegorza Nowaka, dr Moniki Adamów i prof. Aleksandra Wolszczana.

W wyniku przeprowadzonego głosowania wybrano Solaris i Pirx. Gwiazda i krążąca wokół niej planeta znajdują się  w odległości 161 lat świetlnych od Ziemi. Solaris jest mniejsza, mniej masywna i chłodniejsza od Słońca. Wokół niej krąży planeta Pirx o masie o 4 proc. większej o masy Jowisza i promieniu 23 proc. większym niż promień tej planety. Obiega ją w ciągu 269 ziemskich dni. Polski układ planetarny znajduje się w gwiazdozbiorze Pegaza przy granicy z konstelacją Delfina i można go obserwować przez lornetkę.