Kosmiczna samotność planet. Polscy naukowcy odkryli i zmierzyli swobodną planetę
O tym, że istnieją planety niezwiązane grawitacyjnie, czyli nienależące do żadnego układu planetarnego – jak Ziemia i pozostałe ciała naszego Układu Słonecznego – wiemy już od dobrych wielu lat. Nazywa się je potocznie rogue planets, a w tekstach naukowych – Free Floating Planets (FFP). Zostały odkryte w 2011 r. przez nowozelandzkich i japońskich astronomów pracujących dla programu Obserwacje Mikrosoczewkowania w Astrofizyce, czyli MOA (Microlensing Observations in Astrophysics). Od razu nasunęły się ważne pytania: dlaczego są lub jak stały się samotne, skąd się biorą i przede wszystkim – jak są liczne.
Czytaj także: Polacy trochę przypadkiem dokonali niezwykłego odkrycia. Oto gwiazdy milinowe
Jak rodzą się planety FFP?
Zwykle jest tak, że gdy rodzi się gwiazda, od razu otacza ją dysk protoplanetarny, który składa się z gazu i pyłu. Materia dysku tworzy pierwotne zagęszczenia zwane planetozymalami, a z nich w procesie zlepiania tworzą się planety. Uważa się obecnie, że powstają one wokół większości gwiazd. Najszybciej powstają gazowe olbrzymy, planetom mniejszym, skalistym, narodziny zabierają więcej czasu.
Bywa jednak, że z protogwiezdnego obłoku utworzy się tylko potężna planeta, a nie gwiazda, zwłaszcza gdy ten obłok jest mały. Wtedy od razu rodzi się ona w samotności. Albo że planeta wprawdzie powstaje w klasycznym układzie gwiezdnym – czyli gwiazda i planety – ale na skutek oddziaływania innych planetarnych obiektów jest z układu wyrzucona; dotyczy to zwłaszcza mniejszych ciał. Wtedy stają się one obiektami typu FFP.
Planety mogą też popadać w kosmiczną samotność na ostatnich etapach istnienia swoich macierzystych gwiazd, gdy te powiększają bardzo swoją objętości i tracą dużo masy w wyniku silnych wiatrów gwiazdowych. To tak zwane stadium czerwonego olbrzyma. Wtedy słabnie też grawitacja gwiazd i planety krążące najdalej od nich mogą w ten sposób „odpłynąć” z układu. Taki los może czekać naszego Urana i Neptuna za kilka miliardów lat.
Czytaj także: Niezwykłe rzeczy dzieją się przy Gwieździe Barnarda
Mikrosoczewkowanie grawitacyjne
Polscy uczeni z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, uczestniczący w słynnym projekcie OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), postanowili zweryfikować odkrycie MOA. W 2017 r. w czasopiśmie „Nature” ukazał się ich artykuł, w którym dowodzili, że samotne duże planety prawdopodobnie istnieją, są jednak raczej dość rzadkie. Co ciekawe, w tej samej pracy badacze z OGLE twierdzili jednak, że poza dużymi FFP istnieje w kosmosie znacznie więcej swobodnych obiektów małych, czyli wielkości Ziemi lub nawet mniejszych. Uważali tak, ponieważ dość często obserwowali zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego trwające bardzo krótko, a więc godzinę lub kilka godzin, wywołane obecnością niedużych ciemnych obiektów (planet) między obserwatorem a dalszym źródłem promieniowania.
Zjawisko mikrosoczewkowanie zachodzi, kiedy światło odległej gwiazdy zostaje ugięte i wzmocnione przez grawitację bliższego obiektu, zwanego soczewką. Ponieważ efekt nie zależy od jasności obiektu-soczewki, metoda ta pozwala na wykrywanie ciemnych, nieświecących ciał, czyli nawet gdy sama planeta będąca soczewką nie emituje światła. Czas trwania zjawiska mikrosoczewkowania, które objawia się jako pojaśnienie odległej gwiazdy, zależy generalnie od masy soczewki. W przypadku mas planetarnych jest on bardzo krótki – rzędu zaledwie kilku–kilkunastu godzin.
Dużo małych swobodnych obiektów
W końcu października 2020 r. w czasopiśmie „Astrophysical Journal Letters” ukazał się artykuł badaczy skupionych w OGLE, w którym donosili oni, że udało im się wykryć metodą mikrosoczewkowania grawitacyjnego najmniejszą jak dotąd planetę samotną. Czas pojaśnienia źródła światła wywołany jej obecnością między obserwatorem a dalszym źródłem promieniowania trwał zaledwie 42 min. Mając tę daną i korzystając z dodatkowych informacji, uczeni z OGLE wyliczyli, że odnaleziona planeta ma prawdopodobnie masę mniejszą niż Ziemia. To było spore osiągnięcie, potwierdziło bowiem, że samotne planety w naszej Galaktyce raczej istnieją, i dowiodło, że niektóre z nich mogą być bardzo małe, niewiele większe od Marsa. Obiekt oznaczono symbolem OGLE-2016-BLG-1928. Słowem, stan naszej wiedzy o obiektach typu FFP w końcu 2020 r. był następujący: obiekty FFP raczej istnieją, przy czym te z nich, które posiadają duże masy, wielu Jowiszów, są rzadkie, natomiast mniejszych może być znacznie więcej.
Pierwsza „zważona” planeta swobodna
Teraz przełomowe okazały się prace z maja 2024 r., które zostały opisane w ostatnim wydaniu czasopisma „Science”. Otóż badacze z programu OGLE oraz projektu Gaia Science Alerts europejskiego satelity Gaia donoszą, że udało im się zaobserwować swobodną planetę, a po dokładnym oszacowaniu odległości do niej po raz pierwszy dokładnie określić jej masę. Za pomocą teleskopów koreańskiej sieci KMTNet (w Australii, Południowej Afryce i Chile) oraz zlokalizowanego w Obserwatorium Las Campanas w Chile teleskopu projektu OGLE zarejestrowane zostało krótkotrwałe zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego jasnej gwiazdy w centrum Galaktyki. Otrzymało ono oznaczenie KMT-2024-BLG-0792/OGLE-2024-BLG-0516. Wkrótce po zakończeniu zjawiska okazało się, iż kształt mikrosoczewkowych zmian jasności odpowiada przewidywanym zmianom wywołanym przez soczewkującą planetę swobodną.
Czytaj także: Ogród z widokiem na kosmos, czyli niezwykłe tajemnice Obserwatorium Astronomicznego UW
Analiza danych zaobserwowanego zjawiska mikrosoczewkowania, zebranych z powierzchni Ziemi przez wspomniane teleskopy projektów KMTNet i OGLE, oraz danych satelitarnych z satelity Gaia wykazała, że przebieg zjawiska z obu oddalonych o 2 mln km obserwatoriów był podobny. Jednak zjawisko zarejestrowane przez satelitę Gaia nastąpiło ok. 2 godz. później niż na Ziemi. Pozwoliło to na wyznaczenie precyzyjnej odległości do skupiającej światło odległej gwiazdy soczewki i parametrów zjawiska mikrosoczewkowania, co w konsekwencji umożliwiło bezpośredni precyzyjny pomiar jej masy.
Okazało się, że jest to masa planetarna wynosząca 0,22 masy Jowisza lub 70 mas Ziemi, czyli jest nieco mniejsza niż masa Saturna z naszego Układu Słonecznego. Nie znaleziono też żadnych śladów obecności potencjalnej macierzystej gwiazdy w promieniu ponad 20 jednostek astronomicznych (odległości Ziemia–Słońce) wokół planety. Z ogromnym prawdopodobieństwem można więc przyjąć, iż nowo odkryty obiekt jest niezwiązany z żadną gwiazdą – jest też pierwszą precyzyjnie „zważoną” planetą swobodną.
Czytaj także: Tysiące nowych światów
Komentuje jeden z autorów artykułu zamieszczonego w „Science” dr Przemysław Mróz z projektu OGLE: „Jest to odkrycie nowego rodzaju planet pozasłonecznych – wiemy teraz na pewno, że planety swobodne istnieją. Wszystkie dotychczas odkrywane planety były w układach związanych, czyli planetarnych. Znano kilka kandydatek na planety swobodne, ale tylko kandydatek, których istnienie było trudne do zweryfikowania. Teraz to się zmieniło. Planet swobodnych powinno być bardzo dużo, może nawet więcej niż planet w układach planetarnych, jest to nowy i niezbadany dotychczas element Wszechświata”.