Planety swobodne, nazywane także samotnymi, to zwarte obiekty o masie planetarnej, które nie są związane grawitacyjnie z żadną gwiazdą czy brązowym karłem, podróżując przez przestrzeń międzygwiezdną.. Pierwsze doniesienia o planetach samotnych pojawiły się pod koniec XX wieku, ale przez długi czas nie udało się jednoznacznie potwierdzić ich istnienia.
Jak tłumaczy profesor Andrzej Udalski, lider projektu OGLE (Eksperymentu Soczewkowania Grawitacyjnego), który prowadzony jest przez Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego, typowe planety swobodne to efekt oddziaływań grawitacyjnych pomiędzy planetami podczas powstawania systemów planetarnych. Wówczas, w mocno niestabilnym jeszcze układzie planetarnym, planety migrują i może się zdarzyć, że na skutek bliskich spotkań i oddziaływań grawitacyjnych mogą być wyrzucane poza układ. Inna możliwość to bliskie spotkania układu planetarnego z innymi gwiazdami. W naszych rejonach Droga Mleczna jest dość pusta, ale bliżej centrum takie spotkania zachodzą częściej. Wtedy ponownie oddziaływania grawitacyjne między układem planetarnym i sąsiednią gwiazdą mogą zakończyć się wyrwaniem planety z układu.
"To odkrycie dekady"
Istnienie planet swobodnych udało się potwierdzić dzięki badaniom międzynarodowego zespołu naukowców, w tym Polaków. To pierwsza w pełni udokumentowana detekcja nowej - w teorii niezwykle licznej - kategorii planet pozasłonecznych. OA zaznaczyło, że badania planet samotnych są niezbędne do pełnego zrozumienia powstawania oraz ewolucji pozasłonecznych układów planetarnych.
- To odkrycie dekady, porównywalne z odkryciem pierwszych udokumentowanych planet pozasłonecznych w latach 90. ubiegłego wieku. Astronomowie wreszcie mają pewność, iż tego typu obiekty istnieją we Wszechświecie - uważa Udalski.
Planety swobodne są trudne do potwierdzenia
Odnajdywanie planet samotnych nie jest możliwe za pomocą technik skutecznych w przypadku odkrywania planet krążących wokół gwiazdy. Mowa tu na przykład o metodzie tranzytów (poszukiwania regularnych osłabień blasku gwiazdy na skutek przechodzenia przed nią planety) czy prędkości radialnych (spektroskopowe pomiary ruchu gwiazdy spowodowane oddziaływaniem grawitacyjnym planety).
Z pomocą przychodzi technika nazywana mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. Zachodzi ona, gdy światło odległej gwiazdy zostaje ugięte i wzmocnione przez jakiś obiekt (zwany soczewką), przechodzący w pobliżu linii, wzdłuż której obserwujemy odległą gwiazdę. Technika może służyć również do wykrywania obiektów, które nie emitują światła, albo takich, których jasność jest bardzo słaba. Można z jej pomocą wykrywać planety swobodne. Czas zjawiska mikrosoczewkowania jest bardzo krótki dla mas planetarnych i trwa od kilku do kilkunastu godzin.
Do tej pory astronomowie odkryli kilkanaście kandydatek na planety swobodne, ale nie mieli pewności co do mas tych obiektów. Z tego względu nie wiedzieli, czy nie są one brązowymi karłami - obiektami pomiędzy planetami a gwiazdami.
Szczęśliwy zbieg okoliczności
Wspomniana metoda mikrosoczewkowania pozwala precyzyjnie wyznaczyć masę soczewki - pod warunkiem, że znana jest jej odległość od obserwatora. Naukowcy dokonali tego, zestawiając dane z kilku teleskopów. Krótkotrwałe zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego dla jasnej gwiazdy w centrum Galaktyki zostało początkowo zarejestrowane za pomocą teleskopów koreańskiej sieci KMTNet (znajdujących się w Australii, Południowej Afryce i Chile) oraz polskiego teleskopu projektu OGLE zlokalizowanego w Obserwatorium Las Campanas w Chile.
Astronomowie stwierdzili, że kształt zmian jasności w trakcie mikrosoczewkowania pasuje do przewidywanych zmian dla planety swobodnej, co oznaczało kolejną kandydatkę na planetę swobodną. Jednocześnie naukowcy uświadomili sobie, że zbadany rejon nieba był w tym samym czasie obserwowany przez satelitę Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Gaia w latach 2014-2025 regularnie mierzyła jasność dwóch miliardów gwiazd metodą fotometrii, a dany obszar nieba był obserwowany co 30 dni.
Badacze mieli dużo szczęścia, ponieważ satelita obserwował właściwy rejon nieba we właściwym czasie. Dodatkowo wyjątkowo korzystne ustawienie orbity sprawiło, że zebrał aż sześć obserwacji fotometrycznych w ciągu 15 godzin, czyli w najważniejszych momentach największego wzmocnienia światła przez soczewkę. Dzięki temu astronomowie mogli zmierzyć tak zwaną paralaksę mikrosoczewkową - subtelną różnicę w przebiegu zjawiska widzianego z dwóch bardzo odległych punktów.
W ten sposób naukowcy wyznaczyli masę obiektu, która wynosi około 0,22 masy Jowisza, a jednocześnie około 70 mas ziemi, co oznacza masę planetarną. Co więcej, w promieniu 20 jednostek astronomicznych od planety nie wykryto żadnych oznak istnienia gwiazdy. Tym samym z bardzo dużym prawdopodobieństwem obiekt stał się pierwszą planetą swobodną, dla której dokładnie zmierzono masę.
"To nasze odkrycie"
Profesor Udalski wyjaśnił, dlaczego pomiar masy jest tak istotny.
- Wyznaczenie bezpośrednim pomiarem masy planety jest ostatecznym dowodem, że mamy do czynienia z planetą, a nie obiektem cięższym, na przykład małomasywnym brązowym karłem, czy tworem powstającym podobnie, jak gwiazdy czy właśnie brązowe karły, z kolapsującego sferycznie obłoku gazowego, o masie kilku lub kilkunastu mas Jowisza - powiedział naukowiec.
Dodał, że dzięki obserwacjom mikrosoczewkowym udało się znaleźć kilkanaście dobrych kandydatek na planety swobodne. We wszystkich przypadkach masa tych obiektów była jednak oszacowana tylko statystycznie, ponieważ bardzo rzadko udaje się bezpośrednio wyznaczyć masę techniką mikrosoczewkowania. Podkreślił, że z reguły mamy degenerację masa-odległość obiektu soczewkującego.
- Ten unikalny przypadek, gdy tę degenerację udało się znieść, to nasze odkrycie. Teraz wiemy na pewno, ze planety swobodne istnieją i mają rzeczywiście masy planetarne. Jest to więc nowa kategoria planet pozasłonecznych - wskazał Udalski.
W 2026 roku w kosmos ma zostać wystrzelony Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman budowany przez NASA. Jednym z jego głównych zadań będzie detekcja i badanie planet swobodnych. Również Chiny przygotowują analogiczny projekt, misję Earth 2.0, planowaną na 2028 rok. Jest więc bardzo możliwe, że w najbliższych latach astronomowie odkryją dużo więcej obiektów tego rodzaju.
Autorka/Autor: kp
Źródło: PAP, uw.edu.pl, Z głową w gwiazdach
Źródło zdjęcia głównego: Jan Skowron, Krzysztof Ulaczyk/OGLE