Co tam panie dzieju nowego w dalekim gwiazdozbiorze z Tau Ceti?

Wyjdź na zewnątrz w pogodną noc, spojrzyj w niebo i możesz być pewien tego, co nasi przodkowie mogli tylko sobie wyobrazić: każda gwiazda, którą widzisz, może być gospodarzem co najmniej jednej planety.

Światy okrążające inne gwiazdy nazywane są planetami pozasłonecznymi i występują w wielu różnych rozmiarach, od gazowych gigantów większych niż Jowisz, po małe, skaliste planety o powierzchni bliskiej Ziemi lub Marsa. Mogą być wystarczająco gorące, aby zagotował się tam metal lub są w stanie głębokiego zamrożenia. Mogą krążyć wokół swoich gwiazd tak, że rok trwa tylko kilka dni; mogą okrążać dwa słońca naraz. Niektóre planety to nawet samotne obiekty, wędrujące przez galaktykę w permanentnej ciemności.

Nasza galaktyka Droga Mleczna, to gęsty strumień gwiazd przecinających niebo w najciemniejsze, najczystsze noce. Jego spiralna przestrzeń prawdopodobnie zawiera około 400 miliardów gwiazd, a wśród nich nasze słońce. I jeśli każda z tych gwiazd ma nie tylko jedną planetę, ale cały ich układ podobnie jak Ziemia - wtedy liczba planet w galaktyce jest prawdziwie astronomiczna: już zmierza do trylionów.

Spekulowaliśmy na temat takiej możliwości od tysięcy lat, ale nasza pokolenie jest pierwszym, które wie z całą pewnością, że egzoplanety naprawdę istnieją. Nasz najbliższy sąsiad, niedawno odkryta gwiazda Proxima Centauri, posiada co najmniej jedną planetę - prawdopodobnie skalistą. Jest 4,5 lat świetlnych stąd - ponad 40 bilionów km. Większość odkrytych do tej pory planet pozasłonecznych znajduje się w odległości setek lub tysięcy lat świetlnych.

Tymczasowe złe wieści to: jak dotąd nie mamy możliwości, aby do nich dotrzeć i nie zostawiamy na nich śladów naszych stóp w najbliższym czasie. Dobra wiadomość: możemy spojrzeć na nie, zmierzyć ich temperaturę, określić w przybliżeniu atmosferę i, być może pewnego dnia, wykryć oznaki jakichś form życia, które mogą być ukryte w pikselach światła uchwyconego z tych odległych światów.

Teraz żyjemy w świecie egzoplanet. Liczba potwierdzonych planet wynosi około 3700 i rośnie. I to tylko w niewielkiej próbce galaktyki jako całości. W ciągu dziesięciolecia liczba ta może wzrosnąć do dziesiątków tysięcy, ponieważ zwiększamy liczbę i moc teleskopów w przestrzeni kosmicznej.

Era wczesnej eksploracji i pierwsze potwierdzone detekcje pozasłoneczne ustępują miejsca następnej fazie: dokładniejszymi bardziej wyrafinowanym teleskopom, w kosmosie i na ziemi.

Gdzie może znajdować się najbliższa Ziemi planeta przydatna do życia dla ludzi? Zespół astrofizyków dokonał analizy 42 tysięcy gwiazd z misji Keplera i obliczył, że prawdopodobieństwo znalezienia planety ziemskiego typu w systemie gwiazdy typu Słońca wynosi 1 do 2, czy nawet 3 procent. Ogólnie ocenia się optymistycznie, że ziemiopodobnych planet jest mnóstwo, a najbliższe mogą okazać się w odległości 15-17 lat światła od nas.

Lecz gdzie może być ta interesująca dla nas planeta?

Przecież wszystkie gwiazdy typu Słońca w takiej odległości są już skatalogowane.

Wokół której z nich krąży dogodna dla naszego życia planeta?

Jak wiadomo, ogromna większość egzoplanet była odkryta dwiema metodami: metodą prędkości radialnej (RV) oraz metodą tranzytów.

Metoda prędkości radialnej opiera się na wykrywaniu zmian prędkości gwiazdy centralnej, ze względu na zmieniający się kierunek przyciągania grawitacyjnego niewidocznej egzoplanety, gdy krąży ona wokół gwiazdy. Na skutek ruchu gwiazdy wokół wspólnego z planetą środka masy, jej odległość od Ziemi ulega cyklicznym zmianom. Kiedy gwiazda porusza się w naszym kierunku to w wyniku efektu Dopplera, jej spektrum jest przesunięte w kierunku błękitu, podczas gdy jest przesunięte ku czerwieni, gdy odsuwa się od nas. Regularnie patrząc na spektrum gwiazdy - i tak mierząc jej prędkość - można zobaczyć, czy porusza się okresowo z powodu wpływu towarzysza.

Pierwszą egzoplanetą, która wybuchła na scenie światowej był 51 Pegasi b, oddalony od nas o 50 lat świetlnych gorący Jowisz, zamknięty na czterodniowej orbicie wokół gwiazdy. Rokiem przełomowym był rok 1995. Nagle, egzoplanety okazały się czymś rzeczywistym.

Film przedstawiający cztery planety masywniejsze niż Jowisz orbitujące wokół młodej gwiazdy HR 8799 jest złożony z wielu rodzajów obrazów wykonanych przez siedem lat w obserwatorium WM Keck na Hawajach.

Teleskopy naziemne wykorzystujące metodę prędkości radialnych odkryły do tej pory prawie 700 planet.

Druga metoda jest wiele bardziej czuła. I działa tylko wtedy gdy ma się szczęście i planeta jest tzw. „tranzytową”. Oznacza to, że płaszczyzna orbity planety znajduje się na „promieniu” między obserwatorem, a gwiazdą. Wtedy planeta dla nas przechodzi przez dysk gwiazdy, trochę go „zaćmiewając”.

Kosmiczny teleskop NASA Keplera, wystrzelony w 2009 r. odkrył w ten sposób prawie 2700 potwierdzonych planet pozasłonecznych. Teraz, w misji K2 , Kepler wciąż odkrywa nowe planety, ale wkrótce ma się skończyć jego działalność.

Odpowiednie prawdopodobieństwo „tranzytowości” dla Ziemi z punktu widzenia dalekiego obserwatora wynosi 1/200. Jeśli planeta jest bliżej swojej gwiazdy to prawdopodobieństwo jest większe – jest równe stosunkowi średnicy gwiazdy do średnicy orbity gwiazdy. Jeśli się poszczęściło i planeta okazała się „tranzytową”, to można ją zaobserwować z ogromnej odległości, nawet 2 tysięcy lat światła gdy nie jest większa od Ziemi. Ziemia dla dalekiego obserwatora zaćmi Słońce na jedną dziesięciotysięczną – jest to dobrze mierzalne przy kilku zaćmieniach. Ponadto dla tranzytowych planet jest nadzieja wyciągać wnioski dotyczące ich atmosfery.

KLIKNIJ!

Najbliższym systemem planetarnym, który udało się zaobserwować metodą tranzytów był układ małego czerwonego karła Trappist-1 ze swoimi siedmioma s skalistymi planetami zawierającymi wodę , odległymi od nas 40 lat światła. Planety TRAPPIST-1 zostały zbadane za pomocą teleskopów naziemnych i kosmicznych. Badania kosmiczne ujawniły nie tylko ich średnice, ale także subtelny wpływ grawitacyjny tych siedmiu gęsto upakowanych planet na siebie; z tego naukowcy określili masę każdej planety.

Planety w układzie Proximy Centaura wykryto metodą zmian prędkości radialnej. Amplituda zmian prędkości radialnej tego czerwonego karła wynosi około 1,7 m/sek i jest wiele większa od 10 cm/sek - typowej wartości prędkości radialnej słońcopodobnej gwiazdy z ziemiopodobną planetą w strefie życia.

Kilka lat temu zespół astrofizyków zainteresował się (słynną w Rosji) jedną z najbliższych gwiazd typu Słońca, żółtym karłem Tau Ceti. Ta gwiazda jest ciut mniejsza od Słońca, nieco starsza i spokojniejsza.

Zespół wykorzystał archiwalne dane HARPS z lat 2002 do 2013. Było to około 9000 spektrów. Udało im się powiększyć dokładność pomiarów prędkości radialnej z 1 m/s do 20 cm/sek poprzez zbudowanie modelu szumów pochodzących od gwiazdy. A to już blisko upragnionej precyzji 10 cm/s, kiedy analogi Ziemi powinny być wykrywane. Jednak nawet na poziomie 20 cm/s można znaleźć wiele planet podobnych do Ziemi, a układ Tau Ceti jest właśnie takim przypadkiem

Pierwsze rezultaty dotyczące Tau Ceti uzyskano w 2013 r., kiedy znaleziono 5 planet o masach większych od Ziemi w tym układzie. Ich okresy obrotu wokół gwiazdy wynosiły 14, 35, 94, 168 и 642 dni. Od tego czasu metody opracowywania danych uległy ulepszeniu i w zeszłym roku opublikowano nowe wyniki badań. Zespół pod kierownictwem Fabo Fenga z University of Hertfordshire nie potwierdził istnienia planet z okresami 14,35 i 94 dni. Planety z okresem 168 i 642 dni zostały potwierdzone, ale ich okres obrotu został zmodyfikowany na 160 i 600 dni. W stosunku do analiz z 2013 r. znaleziono dwie nowe planety z okresami 20 i 49,3 dnia.

Masy planet określone wiele dokładniej. Co prawda zespół mierzył nie masy planet, a kombinację M sin(i), gdzie „i” to kąt pomiędzy osią orbity, a promieniem od obserwatora, czyli określał minimalną masę. Ich wartości otrzymano takie: 1,7, 1,8, 3,9, 3,9 mas Ziemi.

Otrzymane rezultaty są znacznie dokładniejsze. Co prawda pojawiły się tam i inne sygnały, ale zostały POM analizie odrzucone jako związane z problemem aliasingu, czyli z powodu dyskretności obserwacji pojawiają się artefakty imitujące periodyczny sygnał.

Schemat czterech planet w Tau Ceti w porównaniu z naszym Układem Słonecznym w stosunku do strefy życia.

Klimat i możliwości życia na planecie bardzo mocno zależą od jej atmosfery. W pracy zespołu astrofizyków problem ten jest omówiony minimalnie. Planeta „e” otrzymuje w przybliżeniu tyle ciepła ile Wenus, a planeta „f” tyle co Mars. Wielu astrofizyków dyskutuje na ten temat i przypuszcza, że miedzy tymi dwoma planetami istnieje jeszcze jedna o mniejszej masie. I ona będzie kiedyś odkryta. I okaże się analogiem Ziemi. Pewien astrofizyk nawet rozważa, czy warto o to się założyć. Ja jestem gotów się założyć już teraz. Chociaż na wiarygodne potwierdzenie istnienia tej planety trzeba będzie poczekać chyba jeszcze długo. Wyznaję w tej sprawie proroczy pogląd Włodzimierza Wysockiego.

Najbardziej odpowiednia dla nas wydaje się aktualnie planeta „f”. Tak ciężka planeta może mieć wystarczająco gruba atmosferę z efektem cieplarnianym, który może uczynić ją bardziej gościnną dla nas niż Mars we wczesnym okresie swego istnienia. Być może zaobserwowany przez interferometr ALMA w układzie Tau Ceti pył (asteroidy) w odległości 10-70 j.a., w pewnym sensie analogiczny do naszego pasu Kuipera, nie będzie miał większego wpływu na planety tego układu.

Tau Ceti jest podobna do naszego Słońca, zarówno pod względem wielkości, jak i jasności, podobnie jak nasze Słońce jest systemem wieloplanetarnym.

Feng i jego współpracownicy uważają, że będziemy w stanie wykorzystać nowe spektrometry wysokiej precyzji, co wraz z nowymi modelami statystycznymi i szumami, doprowadzi znaleźć prawdziwy analog Ziemi w nadchodzącej dekadzie. Tak więc prace jego zespołu nad Tau Ceti, modelowaniem szumów zależnie od długości fali, staje się przypadkiem testowym nowej struktury modelu szumu, która może nam pomóc w odfiltrowaniu szumu tła z obserwacji RV.

Następna generacja teleskopów kosmicznych już nad nami. Pierwszym z nich było środowe uruchomienie TESS 18 marca b.r. - satelity Transiting Exoplanet Survey. Ten niezwykły instrument wykona niemal pełne zdjęcie nieba, aby bliżej i jaśniej zobaczyć gwiazdy, szukając tranzytowych planet. Kepler, dawny mistrz tranzytów, przekaże pochodnię odkryć TESS.

TESS z kolei ujawni najlepszych kandydatów do bliższego przyjrzenia się Teleskopowi Kosmicznemu Jamesa Webba, który ma zostać uruchomiony w 2020 roku. Teleskop James Webb posiadający gigantyczne, segmentowe, zbierające światło lustro, które sterowane na platformie będzie wychwytywało światło bezpośrednio z samych planet. Światło można następnie podzielić na wielokolorowe widmo, rodzaj kodu kreskowego pokazujący, które gazy są obecne w atmosferze planety. Cele Jamesa Webba mogą obejmować super-ziemie lub planety większe niż Ziemia, ale i mniejsze od Neptuna - niektóre z nich mogą być skalistymi planetami, jak nasze własne, o dużych rozmiarach.

TESS skupi się na gwiazdach w odległościach od 30 do 300 lat świetlnych i 30 do 100 razy jaśniejszych niż cele Keplera.

Tau Ceti jest odległa od Ziemi 11,9 roku świetlnego. I być może kosmiczny teleskop TESS będzie też w stanie wykryć analog Ziemi w układzie Tau Ceti.

Teraz TESS korzysta ze swojego paliwa dla wejścia na stabilną orbitę wokół Ziemi przy pomocy grawitacji Księżyca. Stabilną orbitę teleskop uzyska w przeciągu 60 dni. Umożliwi to wykonywanie misji ponad zaplanowany dwuletni okres.

KLIKNIJ!

Księżyc zapewni TESS stabilną konfigurację na wiele lat. W przeciągu dwóch lat cztery szerokokątne kamery TESS powinny przebadać 85% całej kosmicznej sfery.

Ilustracja różnych misji i obserwatoriów w programie egzoplanet NASA, zarówno obecnych, jak i przyszłych.

Polowanie na atmosferę podobną do Ziemi na egzoplanetach wielkości Ziemi prawdopodobnie będzie musiało poczekać na przyszłą generację jeszcze potężniejszych sond kosmicznych w latach 2020 lub 2030.

W każdym bądź razie jeśli nie TESS, to inna misja kosmiczna odnajdzie pierwszą egzoplanetę będącą całkowitym analogiem Ziemi. A potem rozpocznie się wysyp analogów Ziemi, które już teraz są przeznaczeniem ludzkości.

Przygoda ludzkości z analogami Ziemi właśnie się rozpoczyna.

Już dawno to przewidział Włodzimierz Wysocki. Być może już wkrótce astrofizycy potwierdzą pierwszy analog Ziemi w układzie Tau Ceti.