Egzoplanetos: kaip nežinia virto normaliu faktu

Jei Saulė yra žvaigždė, tuomet kas galėjo paneigti, kad yra kita tokia žvaigždė kaip Saulė, o aplink ją tokia planeta, kaip Žemė, o joje protinga gyvybė, visai kaip Žemėje. O galbūt panaši, bet kitokia. Galbūt sąlygos kiek kitokios. Vienintelis neigimo būdas – tikėjimas antropocentrine gyvybės prigimtimi, kad visa Visata taip sudaryta ir taip evoliucionavo, kad atsirastume mes. Bet tai yra tikėjimo, o ne mokslo klausimas.

Mokslą varo smalsumas, o rasti mokslu grįstą atsakymą į klausimą ar esame vien, – vienas paprasčiausiai suvokiamų tikslų, net žmogui, neturinčiam nieko bendro su mokslu. Turint omenyje filosofinę šio klausimo svarbą, yra itin išgrynintas būdas atsakyti į šį klausimą, net ir neturint priemonių. Itin populiari yra Drake'o lygtis, kuri net nėra lygtis, o tiesiog paprasta formulė:

\[N=R_*·f_p·n_e·f_l·f_i·f_c·L\]

kur

 

\(N\) — civilizacijų skaičius mūsų galaktikoje, su kuriomis būtų įmanoma komunikuoti (t.y. kurios yra mūsų praeities šviesos kūgyje);

\(R_∗\) — vidutinė žvaigždžių formavimosi sparta Galaktikoje;

\(f_p\) — tų žvaigždžių dalis, turinti planetas;

\(n_e\) — vidutinis greta žvaigždės esančių ir potencialiai galinčių palaikyti gyvybę planetų skaičius;

\(f_l\) — gyvybę galinčių palaikyti planetų dalis, kurioje gyvybė kada nors išsivystė;

\(f_i\) — planetų, kurioje yra gyvybė, dalis, kurioje išsivysto protinga gyvybė (civilizacijos);

\(f_c\) — civilizacijų dalis, sukurianti technologiją, skleidžiančią jų egzistavimą patvirtinančius signalus į kosmosą;

\(L\) — laikas, kurį tokia civilizacija skleidžia aptinkamus signalus į kosmosą.

Tačiau sunkiausi yra paprasti klausimai – šios formulės parametrus tiksliai apibrėžti nelengva. Tai, nuo paprasčiausiai pamatuojamų iki sunkiausiai yra: žvaigždžių formavimosi sparta (šioje formulės formoje, Galaktikoje), dalis šių žvaigždžių su planetomis, dalis šių planetų, kuriose gali susiformuoti gyvybė, dalis šių planetų, kuriose egzistuoja gyvybė, dalis šių planetų, kuriose susiformuoja protinga gyvybė (civilizacijos), dalis šių civilizacijų, kurias teoriškai galima aptikti iš kosmoso ir trukmė, kiek laiko tokias civilizacijas galime aptikti.

Jau turėtų būti aišku, kad didžioji dalis šių kintamųjų kol kas yra tiesiog neišmatuojami ir žinių trūkumas tiesiog reiškia, kad galime būti tiek vienui vieni, tiek vieni iš daugelio. Dėl to, ieškant atsakymo, logiška šiuos patrametrus įvertinti žingsnis po žingsnio. Deja, net pirmąjį parametrą įvertinti nelengva, dėl potencialiai daugybės žvaigždžių, kurias dėl gerokai mažesnio jų šviesio galime aptikti tik artimiausioje Saulei aplinkoje, bet aplink kurias galėtų egzistuoti gyvybė orbitoje, gerokai artimesnėje žvaigždei, nei Žemės.

Bet jeigu žvaigždžių formavimąsi dar galime modeliuoti ir grįsti Saulės ir tolesnių žvaigždžių skaičiavimais, aptikti planetas ilgai atrodė neįmanoma misija. Visų pirma, problema yra atstumas. Galime palyginti Saulės ir kitų žvaigždžių regimą šviesį. Skirtumas kaip diena ir naktis. Atitinkamai, galime įsivaizduoti, kiek sunkiau yra pamatyti planetas, kurios yra atitinkamai mažiau ryškios, nei Venera ar Marsas ir gerokai arčiau savo žvaigždžių dangaus plote.

Todėl pirmųjų egzoplanetų atradimas 1992 metais buvo itin svarbus. Tiesa, jis buvo kiek netikėtas, nes jos buvo aptiktos ne visai ten, kur jų ieškotume pirmiausiai. Pirmosios planetos buvo aptiktos aplink pulsarą – itin egzotišką žvaigždės tipą, ar tiksliau, tai, kas lieka masyviai žvaigždei baigus savo gyvavimą. Pulsarai yra neutroninės žvaigždės, kurios pasižymi itin reguliariu radiobangų pulsavimu.

Pulsaras PSR B1257+12 pulsuoja kas 0,006219 sekundės, bet buvo nustatyta, kad kartais pulsavimo periodas būdavo kiek kitoks. Vien pažiūrėjus į skaičių, turėtų būti aišku, kad šiuo atveju matavimo tikslumas yra gan didelis ir nukrypimai neturėtų būti stebimi. Visgi, šie nukrypimai taip pat buvo reguliarūs.

Galiausiai buvo įvertinta, kad tai turėtų būti dvi egzoplanetos, 3 ir 4 kartus masyvesnės už Žemę. Nors atradimas ir svarbus pats savaime, tokiose planetose gyvybę rasti menkai tikėtina. Kadangi jos skrieja apie neutroninę žvaigždę, jos turėjo „išgyventi“ itin artimą supernovos sprogimą ir labiau tikėtina, tai yra iš žvaigždės sprogimo liekanų susiformavusios planetos.

Planetų buvo aktyviai ieškoma dar nuo praėjusio amžiaus devintojo dešimtmečio. Kaip minėta, tiesiogiai aptikti planetas yra itin sunku, tačiau žvaigždes yra gerokai lengviau. Viena pagrindinių sąveikų tarp žvaigždės ir planetos yra gravitacija.

Kaip planetos yra veikiamos žvaigždės gravitacijos, lygiai taip pat žvaigždė turėtų būti veikiama planetos traukos, tik, dėl masių skirtumo, gerokai mažiau. Tai turėtų atsispindėti žvaigždės radialiniame greityje, tai yra greityje, kuriuo žvaigždė juda Žemės atžvilgiu.

Priklausomai nuo to, ar planeta yra tarp mūsų ir žvaigždės, ar žvaigždė yra tarp mūsų ir planetos, žvaigždė skrieja šiek tiek greičiau ar lėčiau. Būtent radialinio greičio matavimo privalumas tas, kad jis atsispindi žvaigždės spektro linijose, kurios yra šiek tiek pasislinkę į raudoną ar mėlyną spektro pusę priklausomai nuo judėjimo mūsų atžvilgiu. O spektro linijų bangos ilgius mes galime matuoti gerokai tiksliau, nei žvaigždžių judėjimą dangaus plote.

Vis dėlto, planetoms atrasti reikalingi tikslūs ir ilgalaikiai matavimai. Ypač, kai nežinojome kiek planetų net teoriškai galėtų būti, jų paieška buvo itin problematiška ir panaši į adatos paiešką šieno kupetoje. Kiekvienos žvaigždės duomenis reikėjo apdoroti po vieną, reikalingi daugkartiniai stebėjimai ir svarbiausia, planetos – ne vienintelė priežastis galinti sukelti periodinius radialinio greičio svyravimus.

Pavyzdžiui, dėmės, kuriomis pasižymi ir Saulė, gali lemti radialinio greičio svyravimus, nes jose magnetinis laukas stabdo medžiagos judėjimą, ir žvaigždei sukantis, dėmės palieka mūsų stebimą žvaigždės diską ir grįžta, taip sukurdamos periodinius radialinio greičio svyravimus, neatspindinčius žvaigždės svyravimo erdvėje. Tokios ir panašios duomenų interpretavimo problemos lėmė, kad pirmoji patvirtinta planeta apie tinkamą gyvybei žvaigždę buvo aptikta tik 1995 m.

Pirmoji aptikta planeta prie gyvybei tinkamos žvaigždės buvo netinkama gyvybei, bent jau tokiai, kokią pažįstame, – tai buvo bent Jupiterio masės planeta, skriejanti arti žvaigždės, tai yra, per karšta. Bet tokio tipo planetos yra būtent lengviausiai aptinkamos – tiek artima orbita, tiek didelė masė reiškia didesnį gravitacinį poveikį žvaigždei.

Kurį laiką buvo aptinkamos būtent tokios planetos, ir nerandant mažesnių, tolesnės orbitos planetų, kilo klausimas, galbūt tokios planetos yra retos. Bet gerėjant stebėjimų įrangai ir metodikoms, jau aptikta planetų tokiose orbitose, kad jose galėtų būti skysto vandens.

Planetų aptikimas remiantis radialiniais greičiais buvo itin sėkmingas metodas, kuriuo atradome šimtus planetų, dešimtis kartų daugiau, nei tiesioginiais stebėjimais ar gravitaciniais lęšiais (kai praskriejanti planeta savo gravitacija paveikia žvaigždės šviesą kaip lęšis).

Vis dėlto, visi šie metodai buvo ir yra itin imlūs darbui ir realiai kiekvienas atvejis turėjo būti analizuojamas atskirai. Šių metų kovo 23 d. duomenimis, radialinio greičio metodu aptiktos 796 planetos, 49 – tiesioginiais stebėjimais ir 89 – gravitaciniais lęšiais. Tačiau iš viso kol kas aptikta jau 4141 planeta. Kaip aptikta didžioji jų dalis?

Absoliuti dauguma žinomų egzoplanetų aptikta Keplerio kosmine observatorija. Ši kosminė misija rėmėsi tranzito metodu: tarp stebėtojo ir žvaigždės disko praskriedama planeta šiek tiek užtemdo žvaigždę, lygiai kaip Mėnulis sukelia Saulės užtemimą.

Žinoma, mes stebime žvaigždes iš gerokai toliau, nei Saulę, ir egzoplanetos yra gerokai toliau nuo mūsų, kad jų metamas šešėlis būtų reikšmingas. Bet pakankamai tiksliais instrumentais, tokiais kaip Keplerio observatorijoje, galime nepertraukiamai stebėti žvaigždžių šviesą pakankamai nuosekliai ir tiksliai, kad net toks nedidelis pritemimas būtų užfiksuotas. Keplerio observatorija buvo aptiktos net 140 iš 161 Žemės tipo planetų.

Kas mūsų laukia ateityje? Visų pirma, dar reikia apdoroti daugiau duomenų. Net jei žinome 4141 egzoplanetas, dar 5075 atvejai laukia patvirtinimo. Keplerio misijos pavyzdys parodė, kad pirmiausiai reiktų dairytis į kitas egzoplanetų paieškai dedikuotas misijas. NASA 2021 m. planuojama paleisti James Webb Kosminį Teleskopą. Šio pirminė misija nėra egzoplanetų paieška, bet jo įrankiais taip pat galima tiesiogiai stebėti tokias planetas, kaip dujų ar ledo milžines.

Taip pat NASA ir ESA planuoja tiek antžemines, tiek kosmines artimiausių žvaigždžių tranzitų apžvalgas, nes Keplerio stebėjimų laukas buvo labai ribotas. Šiomis programomis bus galima aptikti daugiau planetų-kandidačių, kurias bus galima patvirtinti siauresni regėjimo lauko, bet geresniai teleskopais, tokiais, kaip jau minėtas James Webb Kosminis Teleskopas. Taip pat galima tikėtis ir naujų inovatyvių planetų tyrimų būdų.

Pavyzdžiui, siūloma metodika – atskiras kosminis prietaisas, kuris itin tiksliai galėtų užstoti žvaigždės šviesą kosminiam teleskopui, ir taip būtų galima daug geriau išskirti planetos atspindimą spinduliuotę, nei James Webb Kosminėje Observatorijoje ar kituose tiesioginio stebėjimo prietaisuose naudojamais koronagrafais. Bet kol tokie projektai virs realybe, dar turime neišnaudotų resursų Žemėje su vis didesniais teleskopais ir koronagrafais. Galų gale, planetų aptikimas yra tik dalis galutinio tikslo.

Prieš trisdešimt metų galėjome tik spėlioti apie planetų už Saulės sistemos ribų egzistavimą. Nuoseklios paieškos kiekvieną dešimtmetį po to leido padidinti žinomų planetų skaičių dešimtis kartų. Tai ne tik plečia mūsų supratimą apie planetų skaičių ir kokios žvaigždės turi planetų sistemas, bet ir atveria vis naujas galimybes mokslui. Žinodami kur žiūrėti, galime pradėti tirti jau pačias planetas, jų atmosferas ir galbūt jose aptikti gyvybinės veiklos pėdsakų. Sunku pasakyti, kokius atradimus atneš kiti trys dešimtmečiai, bet be abejonės, tai yra viena karščiausių astronomijos sričių.

J. Klevas

Šaltiniai:

• https://astronomy.com/news/2019/10/how-the-first-exoplanets-were-discovered
• https://exoplanets.nasa.gov/exoplanet-catalog/
• https://nightsky.jpl.nasa.gov/news-display.cfm?News_ID=692