Nauki ścisłe [2024-09-13]

Superjowisz od Wielkiej Niedźwiedzicy

— Żaneta Kopczyńska

Ma masę aż jedenastokrotnie większą od Jowisza, okrąża swoją gwiazdę w ciągu 14 lat, a temperatura na niej nie jest wyższa niż minus 100 stopni Celsjusza – astronomowie z UMK odkryli nową planetę w konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy.

Za odkryciem stoją naukowcy z Instytutu Astronomii na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK: dr hab. Gracjan Maciejewski, prof. UMK, prof. dr hab. Andrzej Niedzielski, prof. dr hab. Krzysztof Goździewski oraz studentka piątego roku astronomii – Julia Sierzputowska. We współpracy z badaczami z Hiszpanii oraz Stanów Zjednoczonych, w tym z prof. Aleksandrem Wolszczanem, opisali kosmiczne znalezisko w prestiżowym czasopiśmie naukowym "Astronomy&Astrophysics".

Niepozorna gwiazda z masywną planetą

Mamy do czynienia z niezwykle masywną egzoplanetą – aż jedenastokrotnie przewyższającą masę Jowisza, największą planetę w naszym Układzie Słonecznym. Swoją macierzystą gwiazdę obiega w 14 lat, a jest od niej oddalona o sześć jednostek astronomicznych (jednostka astronomiczna [j.a.] to umowna miara odległości stosowana w astronomii, średnia odległość Ziemi od Słońca. Wynosi 149 597 870,7 km. Dla przykładu: Księżyc jest odległy od Ziemi o 0.026 j.a., zaś Jowisz od Słońca o 5.2 j.a.).

– Planety nie jesteśmy w stanie dostrzec, ale gwiazdę wokół której krąży już tak – wystarczy do tego niewielki, nawet 10-centymetrowy teleskop. Gwiazda ta swoimi parametrami fizycznymi jest zbliżona do Słońca. Dane wskazują, że jest od niego o 20 proc. masywniejsza i dwukrotnie większa. Co ciekawe, skończyła już etap ewolucji, na którym jest obecnie Słońce, ma za sobą 5 mld lat. Możemy więc szacować, że to również wiek całego układu planetarnego – wyjaśnia dr hab. Gracjan Maciejewski, prof. UMK, lider grupy badawczej z Instytutu Astronomii UMK. – Znajduje się po północnej stronie nieboskłonu w konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy i nosi oznaczenie HD 118203, ponieważ została po raz pierwszy ujęta w katalogu gwiazdowym Henry'ego Drapera, właśnie pod pozycją o takim numerze. Teleskop, którym wykonano obserwacje do tego katalogu ponad sto lat temu, znajduje się obecnie w naszym obserwatorium w podtoruńskich Piwnicach.

Teleskop Drapera to jeden z pierwszych na świecie astrografów, czyli fotograficznych rejestratorów zjawisk sfery niebieskiej. Został zbudowany w 1891 r. jako "pomnik" przedwcześnie zmarłego amerykańskiego fizyka spektroskopisty Henry'ego Drapera, którym jego żona Anna Maria wsparła prowadzony przez Edwarda C. Pickeringa ambitny program Obserwatorium Harvarda, polegający na opracowaniu katalogu jasności fotograficznych i fotowizualnych gwiazd oraz ich klasyfikacji widmowej.

Teleskopem tym wykonano w Cambridge przeszło 60 tysięcy fotometrycznych i widmowych zdjęć nieba i tak dalece przyczynił się do realizacji zamierzenia Pickeringa, że opracowany spis zawierający prawie ćwierć miliona gwiazd nazwano katalogiem Henry'ego Drapera. Znakowania gwiazd "HD" są do dzisiaj używane i znają je wszyscy astronomowie na świecie.

Jak astrograf Drapera znalazł się w Piwnicach? Jesienią 1947 r. rozpoczęła się budowa pierwszego pawilonu obserwacyjnego Obserwatorium Astronomicznego UMK z obrotową kopułą o średnicy pięciu metrów. Dwa lata później stanął tam nadesłany z Cambridge astrograf i po niezbędnych adaptacjach podjął regularną pracę obserwacyjną.

Obecnie ten interesujący zabytek, unikatowy w skali światowej, stał się atrakcją dla odwiedzających Instytut Astronomii UMK w Piwnicach.

Więcej o historii Obserwatorium Astronomicznego w Piwnicach

Cierpliwość popłaca

Astronomowie już od blisko 20 lat wiedzieli, że gwiazdę HD 118203 okrąża dość masywna planeta. W 2006 r. odkryto pierwszego gazowego olbrzyma, o masie dwóch mas Jowisza, obiegającego gwiazdę po ciasnej orbicie w zaledwie sześć dni.

Obserwacje dopplerowskie wskazywały jednak, że to jeszcze nie koniec, że może być tam kolejna planeta. Dlatego natychmiast włączyliśmy ten układ do naszych programów obserwacyjnych – mówi prof. Andrzej Niedzielski, współautor odkrycia. – Najpierw w ramach toruńsko-pensylwańskiego programu poszukiwań egzoplanet, prowadzonego przy współpracy z prof. Aleksandrem Wolszczanem, śledziliśmy ten obiekt za pomocą jednego z największych instrumentów optycznych na Ziemi, dziewięciometrowego Teleskopu Hobby-Eberly w Teksasie.

Wyniki były na tyle obiecujące, że torunianie ze współpracownikami z Hiszpanii kontynuowali obserwacje gwiazdy na Wyspach Kanaryjskich, wykorzystując włoski teleskop Galileusza. Obserwatorium to wyposażono w najlepsze instrumentarium przeznaczone do odkrywania planet.

– Jednak osiem lat badań nie przyniosło odpowiedzi, z jakiego typu obiektem mamy do czynienia – dodaje prof. Niedzielski.

Musiało minąć kolejnych siedem lat, aby toruńscy astronomowie zdobyli niepodważalne dowody, że mają do czynienia z planetą.

Cierpliwość popłaca – mówi prof. Maciejewski. – Nowe obserwacje zebrane w marcu 2023 r. okazały się kluczowe dla wyznaczenia parametrów orbitalnych planety. Co więcej, dzięki temu, że planecie okrążenie swojej gwiazdy zajmuje aż kilkanaście lat, mogliśmy połączyć nasze obserwacje dopplerowskie z dostępnymi pomiarami astrometrycznymi, aby jednoznacznie określić jej masę. Pozwoliło to nam zbudować kompletny model tego układu planetarnego i przebadać jego zachowanie dynamiczne.  

Wcześniej jednak należało upewnić się, że w układzie nie kryją się kolejne planety. Zadaniem tym zajęła się Julia Sierzputowska, studentka astronomii.

Przeanalizowałam obserwacje fotometryczne uzyskane za pomocą kosmicznego teleskopu Transiting Exoplanet Survey Satellite, pokazując, że wokół HD 118203 nie ma innych planet większych niż dwukrotność rozmiaru Ziemi, a zatem na tyle masywnych, że mogłyby być istotne w badaniach dynamiki układu - mówi Julia Sierzputowska.  

Planetarny tandem

Okazało się, że astronomowie odkryli hierarchiczny układ planetarny.

To specyficzna konfiguracja, w której jedna planeta tworzy ciasną parę ze swoją gwiazdą, a druga okrąża tę parę po orbicie na tyle szerokiej, że niejako tworzy kolejną parę z tą pierwszą – wyjaśnia prof. dr hab. Krzysztof Goździewski, który przeprowadził szczegółowe badania numeryczne dynamiki układu.

Obie planety są masywne i krążą po dość wydłużonych orbitach. Mimo to ich wzajemny wpływ grawitacyjny nie destabilizuje układu w skali milionów lat.

– Pokazaliśmy, że dzieje się tak na skutek efektów wynikających z ogólnej teorii względności. Gdyby nie one, planety zachowywałyby się jak rozedrgane sprężyny, zmieniając nieustannie kształt swoich orbit i ich orientację w przestrzeni – dodaje prof. Goździewski.

Kosmiczne odpowiedzi

Astronomowie przyznają, że wiedza na temat powstawania i ewolucji układów planetarnych wciąż kryje wiele fundamentalnych niewiadomych. Układy hierarchiczne typu HD 118203, których znanych jest zaledwie kilkanaście, pozwalają im sondować hipotezy formowania się planet masywnych.

Ciekawym pytaniem jest to o ścieżki rozwoju tego typu konfiguracji planetarnych – mówi prof. Maciejewski. – Mimo że z punktu widzenia nas – mieszkańców Układu Słonecznego – są one dość "egzotyczne", to poznanie układów z masywnymi planetami gazowymi wydaje się istotne, żebyśmy mogli poznać to nasze najbliższe, astronomiczne podwórko.

– Nasza praca się nie kończy. Wciąż prowadzimy obserwacje i analizujemy dane – są szanse na kolejne odkrycia planet – mówi prof. Niedzielski. – Cieszy to, że do tych ciekawych i ważnych badań udaje nam się angażować studentów i doktorantów.