Postoje li oko drugih zvijezda planeti slični Zemlji

Prijevod Ivana Poljančić

ESO zvjezdarnica La Silla, Čile Fotografija dobivena ljubaznošću ESO-a

Uffe Gråe Jørgensen sa Sveučilišta u Kopenhagenu, Danska, opisuje znanstvenu potragu za planetima sličnima Zemlji u zvjezdanim sustavima naše Galaktike.

U našoj galaktici, Mliječnom putu, postoji 100 bilijuna zvijezda. Mnoge od njih su vrlo slične našoj zvijezdi, Suncu. Znači li to da u našoj Galaktici postoje milijuni ili bilijuni planeta sličnih Zemlji? Možda čak i planeta s oblikom života poput našega? Donedavno su astronomi bili u mogućnosti opaziti samo planete prilično različite od planeta Sunčeva sustava, ali je u kolovozu 2005. godine naša grupa istraživača otkrila prvi planet izvan našega  sustava za koji je moguće da se formirao i razvijao na isti način kao Zemlja.

Znanstvenici vjeruju da se Sunčev sustav formirao iz velikoga međuzvjezdanog oblaka koji se gravitacijski sažeo prije 4.6 bilijuna godina. Od glavnine njegove mase nastalo je  Sunce, a manji se dio,  rotacijom, oblikovao u plosnati (protoplanetarni) disk plina i prašine koji je okruživao novorođeno Sunce. Na vanjskom dijelu diska, vrlo udaljenom od mladoga Sunca, iza današnje putanje Jupitera, gdje je bilo dovoljno hladno, voda je poprimila oblik  kristala leda i snježnih pahuljica. Kao i za hladnoga zimskog dana, i tamo je «sniježilo», ali milijunima godina. Sudaranjem snježnih pahuljica i zrnaca prašine polako su se stvorile veće grude čvrstoga materijala, slične grudama prljavoga snijega. Jednom kada je prva gruda narasla do mase 15 puta veće od Zemljine, gravitacijski je privukla okolni plin. Tako je postala divovski planet s krutom jezgrom okruženom golemim količinama stlačenoga plina. Tako je nastao Jupiter koji zovemo plinovitim divom, iako ima čvrstu ledenu jezgru s malim količinama stijena i metala. Jupiter, najveći plinoviti planet Sunčeva sustava, 300 je puta masivniji od Zemlje, a sastavljen je pretežno od stlačenoga vodika i helija.

U unutarnjem dijelu protoplanetarnoga diska, bliže Suncu, bilo je prevruće za nastanak sniježnih kristala. Voda je zato ostala u obliku pare, oblaka, kao i u zraku za vrijeme toploga ljetnog dana. Zato su  čvrste grude mogle nastati samo od vrlo rijetkih zrnaca prašine s udjelima stijena i metala pa su tako nastali unutarnji planeti Sunčeva sustava  - Merkur, Venera, Zemlja i Mars. Oni su kamene gromade (sa željeznom jezgrom),  imaju  kamenit omotač koji nam je poznat kao stjenovit Zemljin krajolik. Manjak «snijega» na unutarnjem dijelu oblaka spriječio je planete bliže Suncu da postanu plinoviti divovi poput Jupitera. Mala količina vode i atmosfere koju danas posjeduje Zemlja stvorila se kasnije (na vrlo složen način, koji je još uvijek predmet intenzivne rasprave među znanstvenicima), ali to su zanemarive količine u usporedbi s ogromnim masama plina na Jupiteru i njemu sličnim planetima.

Bilo je, dakle,  veliko iznenađenje kada je, kao prvi planet oko druge zvijezde, 1995. godine otkriven ogroman plinovit planet na  maloj udaljenosti od središnje zvijezde. Na prvi je pogled otkriće toga planeta, 51 Pegasi b, bilo u suprotnosti s našim razumijevanjem načina formiranja planetnih sustava, izvedenoga  proučavanjem Sunčeva sustava, prema kojem se  veliki plinoviti planeti okreću oko Sunca na većim, a mala kruta tijela slična Zemlji na manjim udaljenostima. Međutim, metoda korištena za otkrivanje planeta (vidi u tekstu niže) bila je osjetljiva na takve «neobične» planete.

Danas se općenito smatra da se divovski  plinoviti planeti formiraju na isti način kao što su se formirali Jupiter i Saturn, ali se potom polako približavaju središnjoj zvijezdi. Da se Jupiter u našem sustavu ponašao na taj način, vrlo vjerojatno bi pri svom prolasku progutao Zemlju u svoju ogromnu unutrašnjost i Zemlje danas ne bi bilo. Međutim,  orbite svih planeta u našem sustavu su osobito stabilne. Ne znamo je li ta stabilnost svojstvo svih planetnih sustava ili je jedinstvena za Sunčev. Bez nje bi se uvjeti u našem sustavu najvjerojatnije drastično i prečesto mijenjali te onemogućili razvoj  života. Primjerice, brzo nakon što je Zemlja bila formirana, stabilnost vanjskih planeta izazvala je premještanje više od tisuću bilijuna kometa iz unutarnjega dijela Sunčeva sustava. Kada bi oni danas bili u blizini, stalni sudari s njima najvjerojatnije bi odnijeli Zemljinu atmosferu i uzrokovali isparavanje oceana, onemogućavajući život. Možda postojimo upravo zato što je naš sustav  jedino mjesto u Svemiru koje omogućuje preživljavanje i razvijanje života na dovoljno dugoj biološkoj vremenskoj ljestvici (tj. bilijunima godina).

Planeti koji kruže oko drugih zvijezda, a ne Sunca, zovemo ekstrasolarnim planetima ili egzoplanetima. Od 1995. godine znanstvenici su ih otkrili približno 200. Mnogi su od njih (uključujući prvoga) otkriveni metodom radijalnih brzina kojom se ispituju promjene položaja spektralnih linija zvijezde zbog njezina gibanja oko drugoga tijela i  koja je osobito pogodna za detektiranje velikih planeta koji se nalaze blizu središnje zvijezde sustava. Većina metoda koje se danas koriste u potrazi za egzoplanetima uglavnom su osjetljive na planete koji se znatno razlikuju od planeta Sunčeva  sustava. Stoga, nastavljamo s nalaženjem neuobičajenih vrsta planeta. Pronalazimo velike plinovite planete na putanjama blizu središnje zvijezde gdje se oni nisu mogli formirati ili male krute planete na iznimno malim udaljenostima, mod  zvijezde, gdje se također nisu mogli formirati, ili izrazito velike i sjajne planete  izrazito udaljene od središnje vrlo male zvijezde itd. No, to ne mora nužno značiti da su planeti slični Zemlji rijetki u Svemiru. Moramo ih samo potražiti drugim metodama. Glavna poteškoća u detektiranju planeta sličnih Zemlji oko drugih zvijezda jest to što su njihove dimenzije male pa je svjetlost koju reflektiraju neprimjetna u odnosu na svjetlost zvijezde, a njihove periode revolucije duge pa se sustav mora dugo opažati da bi se primijetilo periodično gibanje planeta oko zvijezde.

Usporedba orbita Merkura, Venere i Zemlje s orbitom 51 Pegasi b, prvog otkrivenog ekstrasolarnog planeta

Naša je grupa nekoliko godina radila na implementaciji metode (gravitacijskih) mikroleća, posebno osjetljive na planete sličnih putanja i masa kao Zemlja. Kada jedna zvijezda prolazi ispred druge, njezino gravitacijsko polje savija svjetlost zvijezde iz pozadine. Prednja zvijezda tada djeluje kao svojevrsno  povećalo, jer omogućuje da do nas dospije i svjetlost pomračene zvijezde iz nekoliko smjerova istodobno te je zato prividni sjaj objekta pojačan. Ako prednja zvijezda nema  planete, njezino će gravitacijsko polje biti simetrično i prividni će se sjaj zvijezde u pozadini povećati kod međusobnog približavanja, a smanjivati kod udaljavanja zvijezda. Tada je svjetlosna krivulja objekta periodična i pravilna. Međutim, kada prednja zvijezda ima planete, sjaj zvijezde iz pozadine će se mijenjati drukčije i svjetlosna krivulja će biti asimetrična. Upravo je asimetričnost svjetlosne krivulje ono za čime tragamo. U pravilu, prednja zvijezda je nešto manja od Sunca (u našoj Galaktici postoje mnoge takve zvijezde), a zvijezda u pozadini je hladna, crvena, divovska zvijezda (lakše primjetna jer su takve zvijezde sjajnije).

Objašnjenje gravitacijskih mikroleća Fotografija (ljubaznošću Knight Riddera)

U zvjezdarnici Las Campanas, u Čile-u, poljska ekipa zvana OGLEw1, prati oko 100 milijuna zvijezda te upozorava znanstvenu zajednicu kada neka od njih postaje mikroleća. U suradnji s Europskom organizacijom za astronomska istraživanja, na južnoj je hemisferi (ESO), u Australiji i Južnoj Africi, formirana grupa kojaw2 24 sata dnevno opaža objekte odabrane od strane OGLE-a.

Za vrijeme najkritičnijih faza, odabranu se  zvijezdu motri svakih nekoliko minuta. Tako su u protekle tri godine dobivene svjetlosne krivulje za više od 200 objekata opažanih  mikrolećom. Iz mnogih svjetlosnih krivulja koje nisu pokazale znakove postojanja planeta, zaključili smo da su plinoviti divovi poput Jupitera i Saturna, s putanjama sličnima Jupiterovoj i Saturnovoj, u našoj Galaktici rijetki. Drugim riječima, izgleda da su u Svemiru rijetke vrste planeta koje  stabiliziraju naš sustav na biološke vremenske ljestvice. To je bitan zaključak za procjenu mogućnosti nalaženja života sličnoga našemu drugdje u Svemiru.

Međutim, 9. kolovoza 2005. godine danski je teleskop, smješten u ESO zvjezdarnici u La Silli, Čile, primijetio prve znakove jedne vrste asimetrije svjetlosne krivulje koju smo i mi tražili. To je sugeriralo prisutnost tijela koje kruži oko zvijezde. Istoga smo trenutka obavijestili naše suradnike, i unutar i izvan ekipe, i u sljedećih su šest mjeseci četiri teleskopa u Čile-u, Novom Zelandu i Australiji potvrdila prirodu tog odstupanja. Nakon tri mjeseca intenzivnoga modeliranja svjetlosne krivulje konačno smo bili uvjereni da smo primijetili signal najmanjeg ikad opaženog egzoplaneta, i u siječnju 2006. objavili otkriće u časopisu Nature  (Beaulieu et al., 2006.).

Novi je planet nazvan OGLE-2005-BLG-390Lb ili kraće OB05390. Masa mu je pet  puta veća od Zemljine (sličniji je Zemlji nego Mars, čija je masa oko desetina Zemljine), udaljen je 22 000 svjetlosnih godina i kruži oko zvijezde po putanji tri puta većega opsega od onoga Zemljine putanje. To ga čini jedinim poznatim egzoplanetom koji je, prema teorijama, poput Zemlje, građen od čvrstih stijena i kruži oko svoje zvijezde na udaljenosti na kojoj se i formirao. To je možda prvi ikad viđeni ekstrasolarni  sustav u kojem planeti imaju stabilne putanje i u kojem su zato i uvjeti za život stabilni u biološki relevantnim vremenskim ljestvicama.

Ekstrasolarni planet OB05390 Fotografija ljubaznošću ESO

Referencije

Beaulieu JP et al. (2006) Otkriće hladnoga planeta mase 5,5 puta veće od Zemljine metodom gravitacijskih mikroleća, Nature 439: 437-440. doi: 10.1038/nature04441

Pierce-Price D (2006) Pokretanje jednog od najvećih svjetskih teleskopa,Science in School 1 56-60

Web referencije

w1 – OGLE

w2 – PLANET

Izvori

California & Carnegie Planet Search, redovito obnavljana stranica s bitnim informacijama o egzoplanetima

The Extrasolar Planets Encyclopaedia

Nedavni detaljniji i tehnički članak o ovoj temi:
Marcy G et al. (2005) Vidljive karakteristike egzoplaneta: mase, orbite i metaliciteti. Progress of Theoretical Physics Supplement 158: 24-42.

Dodatne informacije o istraživanjima Uffe Gråe Jørgensena i njegovih kolega su dostupne ovdje.

---

Uffe Gråe Jørgensen je izvanredni profesor na Institutu Nielsa Bohra, Sveučilište u Kopenhagenu, Danska