La vânătoare de exoplanete Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Posibilitatea de a exista şi alte lumi precum a noastră a fascinat oamenii de milenii. Acum tehnologia aduce astfel de lumi – sau exoplanete – la îndemâna descoperirii.

„Există o infinitate lumi, atât asemănătoare cât şi diferite de lumea noastră.” Așa a spus vechiul filosof grec și atomist Epicur în secolul al IV-lea î.e.n. Dar la fel cum ideile grecești ale unui sistem solar heliocentric s-au pierdut în tumultul istoriei, la fel şi noțiunea lui Epicur despre un cosmos nelimitat a fost măturată de filozofia dominantă a lui Aristotel, care susținea că „nu pot exista mai multe lumi decât una”.

Au trecut aproape 2000 de ani până ce ideea că Pământul nu este singur a fost luată din nou în serios. În 1584, în Italia, în culmea Renașterii, filosoful Giordano Bruno a propus ideea Universului infinit și a stelelor care sunt sori îndepărtaţi ce pot fi orbitaţi de „nenumărate lumi”. După aproape 400 de ani, în 1992, a sosit prima detectare confirmată a uneia dintre „nenumăratele lumi” ale lui, realizată de către radio-astronomii Aleksander Wolszczan și Dale Frail (Wolszczan & Frail, 1992). Wolszczan și Frail descoperiseră un pulsar învârtindu-se energic în constelația Fecioarei. Rotindu-se de mai mult de 160 de ori pe secundă, această minusculă stea colapsată emite fascicule radio puternice care ajung pe Pământ ca pulsaţii rapide. O neregularitate a semnalului recepţionat i-a determinat pe astronomi să concluzioneze că „pulsarul este orbitat de două sau mai multe corpuri de dimensiuni planetare”, iar aceste corpuri au devenit primele „exoplanete” cunoscute – planete externe sistemului nostru solar. Trei ani mai târziu, o altă exoplanetă a fost găsită de Michel Mayor și Didier Quelozw1, de data aceasta pe o orbită în jurul unei stele asemănătoare Soarelui, numită Pegasi 51. Părea o lume extremă – o planetă de tip „Jupiter fierbinte”, de cel puțin 150 de ori mai masivă decât Pământul și care își orbitează soarele chiar mai aproape decât Mercur orbitează soarele noastru.

Artist’s impression of the pulsar planet system discovered by Wolszczan and Frail
Reprezentare artistică a sistemului planetar pulsar descoperit de Wolszczan și Frail
NASA/JPL-Caltech
 

Astronomii și-au dat seama că este posibil să detecteze exoplanete, şi astfel a început cursa de a găsi cât mai multe. Metodele de detectare s-au îmbunătățit, iar descoperirile s-au acumulat.

Cunoaștem astăzi peste 4000 de exoplanete: majoritatea se află în raza noastră de observaţie, proximitatea lor făcându-le relativ ușor de detectat. Extrapolând acest fapt, ajungem la concluzia că pot exista până la 11 miliarde de planete de dimensiunea Pământului și potențial locuibile doar în galaxia noastră, Calea Lactee.

Lumi extraterestre

Vânătoarea de exoplanete a avut de departe mai mult succes decât astronomii au îndrăznit vreodată să spere. Sistemele planetare extraterestre sunt omniprezente și surprinzător de diverse, şi multe au oarece asemănări cu sistemul nostru solar. Se pare că majoritatea stelelor au planete, iar micile planete stâncoase sunt abundente, uneori constituind lumi asemănătoare Pământului (Earth-like) care își orbitează steaua părinte în aşa-zisa „zonă locuibilă”, adică unde ar putea exista apă lichidă pe suprafața planetei – o condiție considerată esențială pentru viață. Au fost găsite și multe exoplanete masive, asemănătoare cu Jupiter, iar unele chiar au fost vizualizate direct. Am detectat nori în cerul lor și, graţie analizei spectrale, putem identifica chiar și elementele din atmosfera lor.

Cu toate acestea, vânătoarea de exoplanete se confruntă cu provocări considerabile. Planetele sunt mult mai slabe și mai mici decât stelele pe care le orbitează, așa că ne bazăm mai ales pe metode indirecte pentru a le detecta, mai degrabă decât să le vizualizăm direct. Există mai multe abordări distincte, fiecare cu propriile avantaje și dezavantaje. Iar în acest articol, aruncăm o privire la unele dintre cele mai importante metode de descoperire.

Metoda tranzitării

Dacă se întâmplă ca o exoplanetă să treacă prin fața stelei sale în timp ce o privim de pe Pământ – fenomen cunoscut în astronomie sub numele de „tranzit” – luminozitatea stelei părinte va avea o mică scădere, chiar dacă diminuarea este doar de o fracțiune minusculă, așa cum s-a văzut cu triplul tranzit al stelei TRAPPIST-1 în 2015 (figura 1). Mai mult de trei sferturi dintre exoplanetele cunoscute au fost detectate în acest fel. Metoda tranzitării se bazează pe un element de şansă: înclinațiile orbitelor planetare sunt distribuite atât de întâmplător din punctul nostru de vedere, încât majoritatea exoplanetelor practic nu sunt niciodată văzute trecând prin fața stelei lor. Pentru a rezolva această problemă, telescoapele spațiale, precum telescopul Kepler de la NASA, cercetează un număr mare de stele şi pe o perioadă îndelungată. În plus, stelele pot prezenta diminuări în luminozitate şi datorită unor caracteristici de suprafață, precum petele solare, astfel încât sunt necesare observații suplimentare pentru a confirma o descoperire de exoplanetă.

Figure 1: Graph showing the changing brightness of the red dwarf star TRAPPIST-1, which is caused by three exoplanets passing in front of the star in quick succession
Figura 1: Grafic arătând fluctuaţia de luminozitate a stelei pitice roșii TRAPPIST-1, cauzată de trei exoplanete care trec prin fața stelei în succesiune rapidă.
ESO/M Gillon et al., CC BY 4.0
Relative brightness: Luminozitate relativă;
11 December 2019: 11 Decembrie 2019;
Time: Timp

Pe durata unui astfel de tranzit, lumina stelei trece prin atmosfera exoplanetei, unde anumite lungimi de undă sunt absorbite selectiv de elementele și de moleculele din atmosferă. Modelul de absorbție a luminii, pe care îl putem citi efectuând o analiză spectrală, servește ca amprentă chimică, şi ne spune ce substanțe sunt prezente. Astfel de studii au arătat existenţa apei în atmosfera unor exoplanete (Tsiaras et al., 2019) și ele chiar ne pot spune dacă acolo există apă atmosferică sub formă de vapori sau de lichid.

Metoda astrometrică

Deşi planetele sunt mult mai puțin masive decât stelele, ele exercită totuși o atracție asupra lor. Atracţia gravitațională dintre o planetă și steaua ei face ca perechea să orbiteze după un centru de masă comun, care este adesea în interiorul stelei, deși nu chiar la mijlocul ei. Rezultatul este că steaua pare că se clatină ca şi când s-ar mişca pe o orbită minusculă în jurul centrului de masă comun. De exemplu, atracţia lui Jupiter asupra Soarelui face ca Soarele să se clatine cu o viteză medie de 12 m/s , orbitând după un centru de masă siatuat aproape de suprafața sa. Efectul tuturor planetelor din Sistemul nostru solar asupra Soarelui constă într-o deviaţie prin clătinare de genul celei prezentate în figura 2.

Figure 2: The black line shows the wobbling path of the Sun from 1944 to 1997 as the planets of the Solar System pull on it. The yellow circle indicates the Sun’s size
Figura 2: Linia neagră arată traseul de clătinare a Soarelui din 1944 până în 1997 datorat efectului gravitaţional pe care planetele din sistemul solar îl exercită asupra Soarelui. Cercul galben indică dimensiunea Soarelui.
Carl Smith/Rubik-wuerfel/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
 

Metoda astrometrică se bazează pe detectarea acestui aproape imperceptibil indicator manifestat la stele situate la mulți ani-lumină distanță, ceea ce impune cerințe speciale asupra sensibilității instrumentelor. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, să înţelegem că o stea de dimensiunea Soarelui şi aflată la 42 de ani-lumină distanță (de zece ori mai departe decât steaua noastră vecină cea mai apropiată, Proxima Centauri) s-ar abate cu doar o cincime de o milionime de grad sub influența unei planete de mărimea lui Jupiter. Acest lucru este echivalent cu a vedea de pe Pământ o deplasare de 1,5 mm a Stației Spațiale Internaționale pe orbita sa. Iar efectul unei planete de dimensiuni similare Terrei ar fi de aproximativ 1600 de ori mai mic.

Mai puțin de 0,02% din exoplanetele cunoscute au fost detectate folosind această metodă. Cu toate acestea, cifra ar putea crește, datorită telescoapelor spațiale, precum cel transportat de nava spațială Gaia a ESA. Fiind în spaţiul cosmic, echipamentul Gaia nu este afectat de distorsiunea atmosferei Pământului și poate detecta mișcări infime, de dimensiunea unui sfert de miliardime de grad.

Metoda vitezei radiale

O altă metodă de a detecta mișcarea de clătinare a unei stele constă în a căuta deplasări în spectrul electromagnetic al luminii emise. Aceasta se numește ‘metoda vitezei radiale’ și folosește efectul Doppler – compresia sau extinderea frecvenţei undelor emise de o sursă care se deplasează înspre sau dinspre observator. Când o stea se îndepărtează de noi, lumina ei este deplasată spre capătul roșu al spectrului vizibil, iar când se îndreaptă spre noi lumina se schimbă spre albastru.

Deplasamentul lungimii de undă provocat de o planetă orbitând steaua vizată este minuscul. Acea clătinare a Soarelui nostru cauzată de Jupiter, de 12 m/s, îi schimbă acestuia liniile spectrale cu doar 0,000004%. Însă chiar și așa, spectroscopele astronomice deja pot detecta devieri mai mici de 1 m/s, și sunt în desfășurare optimizări pentru a atinge precizia de 0,1 m/s necesară detectării planetelor similare Pământului. Din acest motiv, metoda vitezei radiale este o piatră de temelie a astronomiei exoplanetare, și ea a contabilizat aproape 20% din descoperirile făcute începât cu anul 2012.

Ca și alte tehnici folosite la vânarea de exoplanete, metoda vitezei radiale are o anume preferinţă observațională, favorizând planetele care sunt cel mai ușor de găsit: lumi masive, de mărimea lui Jupiter, care orbitează aproape de steaua lor. Viteza radială este părtinitoare şi pentru stele bogate în elemente grele, deoarece lumina de la astfel de stele are mai multe linii spectrale, ceea ce face ca deplasările Doppler să fie mai ușor detectabile.

Vizarea directă

Figure 4: Actual image of the exoplanet HIP 65426b, produced by ESO’s Very Large Telescope. The planet’s star, shown by a cross, has been masked out. The circle indicates the orbit of Neptune on the same scale.
Figura 3: Imagine reală a
exoplanetei HIP 65426b,
produsă de Telescopul foarte
mare al ESO. Steaua planetei,
marcată aici cu o cruce, a fost
mascată. Cercul indică orbita
lui Neptun la aceeași scară.

ESO
 

Însă dovada definitivă a existenței unui exoplanete ar fi imaginea acesteia, însă astfel de imagini vizate direct necesită telescoape cu o rezoluție incredibil de mare. Cu cât o exoplanetă este mai îndepărtat și cu cât este mai aproape de steaua sa, cu cât oglinda sau obiectivul colector al telescopului trebuie să fie capabile să distingă separat cele două obiecte. De exemplu, pentru a separa Jupiter de Soarele nostru atunci când este privit de la o distanță de 600 de ani lumină, ar fi necesar un telescop cu diametrul de 8 m, în timp ce pentru a distinge Pământul îm acelaşi context ar fi nevoie de un telescop cu diametrul de 39 m. Un telescop de exact această dimensiune – telescopul extrem de mare (ELT) al Observatorului European (ESO)w2 – se află în prezent în construcție în deșertul Atacama din Chile, și urmează să înceapă căutarea de exoplanete în anul 2026. Însă rezoluții și mai mari pot fi obținute prin combinarea datelor de la mai multe telescoape dispuse pe o arie mai largă – o tehnică cunoscută sub numele de interferometrie.

Cea mai mare provocare ce trebuie stăpânită este contrastul extrem dintre lumina reflectată de exoplanetă și stălucirea stelei gazdă, aceasta din urmă fiind de până la zece miliarde de ori mai luminoasă decât o exoplanetă asemănătoare Pământului. O modalitate de a depăși această problemă constă în folosirea tehnicilor de mascare numite coronagrafe, tehnici care pot suprima lumina stelară.

Până acum s-au înregistrat peste 100 de exoplanete care au fost vizualizate direct (Chauvin et al., 2017; vezi figura 3). Ca și în cazul metodei tranzitului, vizarea directă ne permite să studiem spectrele luminii de la exoplanete și să identificăm elementele din atmosfera lor.

Dezvoltări viitoare

Anii ce vin sunt probabil foarte interesanți pentru cercetarea de exoplanete, deoarece noi telescoape devin operaționale iar metodele de detectare se îmbunătățesc în continuu. Un proiect promițător este şi SPECULOOS, constituit dintr-un set de patru telescoape robotizate cu un diametru de 1 m, aflat în construcție în deșertul Atacama. SPECULOOS va căuta exoplanete asemănătoare Pământului care orbitează în apropierea stelelor cu temperaturi la suprafață de sub 2500 K.

În anii 2020, Telescopul spațial James Webb (un parteneriat între NASA, ESA și Agenția Spațială Canadiană) și telescoapele cu deschidere mare, precum ELT, vor oferi puterea de detectare necesară pentru a găsi cât mai multe planete similare Pământului în zonele locuibile din jurul unor stele asemănătoare Soarelui. Analiza spectrală și alte tehnici de prelucrare a imaginilor vor face posibilă nu numai identificarea unor astfel de lumi, ci și efectuarea de analize chimice asupra atmosferelor lor, precum și căutarea de semne de viață în acele lumii.

The four telescopes of the PECULOOS Southern Observatory, which will search for Earth-sized exoplanets
Cele patru telescoape ale Observatorului SPECULOOS din Sud, care va căuta exoplanete de dimensiuni terestre
tau-tec GmbH

Exoplanete pentru şcoală

Însă vânătoarea de exoplanete nu este rezervată exclusiv astronomilor profesioniști dotaţi cu echipamente mari și scumpe. Folosind metoda tranzitului, chiar și un modest telescop de 10-20 cm poate dezvălui eclipsarea unei stele pe măsură ce o exoplanetă trece prin fața sa. Poate că astronomi amatori nu pot să descopere noi exoplanete, dar făcând observații ulterioare asupra exoplanetelor semnalate, oricine poate oferi date neprețuite în încercarea omenirii de a afla cât mai mult despre aceste lumi fascinante. Puteți găsi link-uri către web-site-uri care descriu astfel de activități pentru școli în secțiunea resurse. Vânătoare plăcută!

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Michel Mayor și Didier Queloz au primit premiul Nobel pentru fizică în anul 2019 pentru descoperirea unei exoplanete orbitând o stea de tip solar. Citiți despre descoperirea lor pe web-site-ul organizației Premiului Nobel.
  • w2 – ESO este cea mai importantă organizație astronomică interguvernamentală din Europa și cel mai productiv observator astronomic din lume, cu sediul central în Garching, lângă Munchen, în Germania, și cu telescoape în Chile.

Resources

Institution

ESO

Author(s)

Wolfgang Vieser este astrofizician și profesor de fizică. Deține un doctorat în astrofizică și a predat la școala gimnazială timp de 14 ani înainte de a ocupa funcția de coordonator de educație pentru ESO. Aducerea științei de ultimă oră în şcoli și sprijinirea profesorilor în utilizarea astronomiei ca poartă de intrare în lumea științei constituie principalul său obiectiv.


Review

Căutarea exoplanetelor pare a fi o nouă disciplină în astronomie. Pentru noi, locuitorii de pe Pământ, este interesant de văzut dacă există în exterior ceva similar cu propria noastră planetă. Poate că în curând vom răspunde la întrebarea: suntem singuri?

Acest articol prezintă metodele actuale folosite pentru descoperirea de exoplanete, metode ce utilizează principii familiare ale fizicii și chimiei. Articolul poate fi folosit ca exercițiu de înțelegere a subiectului, și ar putea fi incluse următoarele întrebări și provocări:

  • Ce este o exoplanetă?
  • Rezumaţi istoria descoperirii exoplanetelor.
  • Descrieţi una dintre metodele utilizate pentru descoperirea de exoplanete.
  • Care este viitorul probabil al descoperirii de exoplanete?

Gerd Vogt, physics and technology teacher, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Austria




License

CC-BY