Mokslo ir technologijų pasaulis

Saulė nėra amžina. Apie tai, kur gyvens mūsų civilizacija ateityje, nors ir labai tolimoje, reikia galvoti jau dabar. Milžiniškas darbas laukia technologijų kūrėjų: persikelti į planetą, esančią prie kitos žvaigždės, kol dar nenuskridome net iki Marso – nemažas iššūkis. Na, o astronomams užduotis – surasti, kur skristi.

Pirmiausia tikimasi aptikti artimiausias ir panašiausias į Žemę egzoplanetas, kurias mokslininkai vėliau galėtų tirti detaliau, aiškindamiesi teorines galimybes žmogui gyventi jų aplinkoje. Nors kai kuriose iš jau rastų egzoplanetų aptinkamas uolėtas paviršius, atmosfera ir galbūt vanduo, bet šie veiksniai dar nėra pakankamas pagrindas gyvybei jose egzistuoti.

Naujų gyventi tinkamų egzoplanetų paieška ir tyrimai verčia tobulinti specialią įrangą ir kaupti astrofizikos, chemijos, biologijos, geofizikos, technologijos ir kitų mokslų žinias. Tačiau Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos instituto mokslininkai šioje srityje kylančių iššūkių nebijo ir užtikrintai žengia priešakinėse aktualius egzoplanetų tyrimus atliekančių tyrėjų gretose.

Pirmosios egzoplanetos atradimas

Tikriausiai galvojate, kad atradę pirmąją planetą prie kitos žvaigždės mokslininkai didžiuodamiesi žengė į tarptautinės konferencijos tribūną ir iškilmingai pranešė apie tai kolegoms ir pasauliui. Padarius reikšmingą atradimą dažnai taip ir būna, bet ne šį kartą. Kukliame stendiniame pranešime, pateiktame 1995 m. Florencijoje vykusioje konferencijoje „Šaltos žvaigždės, žvaigždžių sistemos ir Saulė“, rašoma, kad prie Saulės tipo žvaigždės Pegaso 51 yra aptiktas ne mažiau kaip pusės Jupiterio masės objektas, trikdantis žvaigždės judėjimą. Buvo spėjama, kad tai negali būti kita žvaigždė, nes Pegaso 51 šviesio kitimų nebuvo užregistruota.

Nors ir kukliai pateiktas, šis pranešimas sukėlė didelį konferencijos dalyvių susidomėjimą: negi tai tikrai įvyko – atrasta egzoplaneta? Tikrinti suskubo ir radialinio žvaigždžių greičio matuotojai, ir žvaigždžių šviesio kitimų tyrėjai įvairiose pasaulio observatorijose. Vos per 10 dienų atradimas buvo patvirtintas ir jau po mėnesio Ženevos observatorijos astronomas Michelis Mayoras ir Kembridžo universiteto mokslinkas Didier Quelozas žurnale „Nature“ paskelbė, kad aplink Pegaso 51 skrieja maždaug Jupiterio masės planeta, tačiau jos nuotolis nuo žvaigždės yra mažesnis nei Merkurijaus nuo Saulės. Būtent šis faktas, kad masyvus objektas skrieja arti žvaigždės, buvo toks neįtikėtinas, kad Kanados astronomai, dar 1988 m. įtarę egzoplanetos egzistavimą prie Cefėjaus Gama žvaigždės, net nedrįso to paskelbti.

Tranzitų metodas – efektyvus egzoplanetų paieškos būdas

Po kelerių metų egzoplanetų paieškoms buvo pradėtas taikyti tranzitų metodas, pagrįstas tuo, kad praslenkant planetai pro žvaigždę laikinai sumažėja jos spinduliuotė. Šis metodas pasirodė išties galingas, jis leidžia nustatyti ne tik planetos masę, kaip radialinių greičių metodas, bet ir dydį. Pirmosios 1999 m. šiuo metodu atrastos egzoplanetos prie HD 2009458 žvaigždės masė buvo 70 proc. Jupiterio masės, bet dydis pasirodė apie 35 proc. didesnis nei Jupiterio. Taip buvo galima nustatyti, kad ji yra dujinė ir labai karšta, nes skrieja arti žvaigždės.

Egzoplanetų paieška tranzitų metodu reikalauja labai didelio matavimų tikslumo. Žemės dydžio planeta tokią žvaigždę kaip Saulė užtemdytų vos 0,008 proc. Todėl buvo nuspręsta tokius stebėjimus vykdyti virš Žemės atmosferos, kad nebūtų jos sukeltų žvaigždžių šviesos mirgėjimų. Prancūzijos kosmoso agentūra su partneriais pirmieji suskubo paleisti kosminį teleskopą. Nuo 2006 iki 2013 m. veikusi CoRoT kosminė observatorija atrado 32 egzoplanetas, tarp jų ir Žemės tipo uolingą egzoplanetą, o prie keleto žvaigždžių buvo aptikta ir po dvi egzoplanetas. Žemės tipo egzoplaneta Corot-7b buvo toli gražu ne tokia, kokias norėjosi rasti. Nors ji tik maždaug pusantro karto didesnė už Žemę, bet skrieja daug arčiau prie žvaigždės nei Merkurijus prie Saulės ir jos paviršius yra taip įkaitintas, kad turbūt ten yra tik burbuliuojanti lava.

Esminis proveržis ieškant egzoplanetų buvo pasiektas 2009 m. kovą NASA paleidus kosminį Keplerio teleskopą. Su šiuo teleskopu, veikusiu iki 2018 m. spalio, astronomai stebėjo per 530 tūkst. žvaigždžių ir atrado 2662 egzoplanetas, o tarp jų pusšimtį skriejančių gyvybės zonoje! Pradinis Keplerio teleskopu identifikuotų egzoplanetų kandidačių skaičius buvo dvigubai didesnis, bet ne visos buvo patvirtintos antžeminiais spektriniais, fotometriniais ar radialinių greičių stebėjimais.

Į šiuos darbus įsitraukė ir Vilniaus universiteto astrofizikai, žvaigždžių tyrimus atlikę Molėtų astronomijos observatorijoje. Kiekvienam teleskopui, su kuriuo astronomai gali prisidėti prie antžeminių Keplerio misijos stebėjimų, pagal jo dydį yra sudaromas objektų sąrašas. Atlikus stebėjimus jie surenkami į vieną centrą, išanalizuojami ir padaromos išvados apie egzoplanetą.

Stebinanti egzoplanetų įvairovė

Naujai atrandamos planetos buvo viena už kitą įdomesnės ir kėlė vis daugiau klausimų. Čia tikrai labai tinka posakis „kuo giliau į mišką, tuo daugiau medžių“. Randamos ne tik dujinės milžinės, bet ir dujinės nykštukės, ne tik Žemės tipo uolingos planetos, bet ir uolingos milžinės. Tarp egzotiškų egzoplanetų puikuojasi Kepler-10c, kuri yra 17 kartų didesnė už Žemę, bet turi kietą paviršių. Vėžio 55e yra du kartus didesnė už Žemę, bet aštuonis kartus sunkesnė. Ši planeta labai arti žvaigždės, ją apskrieja per 17 val. 41 min., o vidutinė temperatūra siekia 2,4 tūkst. laipsnių. Tikriausiai tai deimantinis rutulys su degančiu anglies paviršiumi. Rasta egzoplanetų, kurių orbitos yra ištemptos kaip kometų, o Kepler-16b atveju įrodyta, kad ji skrieja aplink dvi žvaigždes.

Kepler-186f, apie kurios atradimą buvo paskelbta 2014 m. balandžio 17 d., buvo pirmoji atrasta Žemės dydžio planeta, skriejanti gyvybei tinkamoje zonoje. Jos orbita yra tokiu atstumu nuo žvaigždės, kad paviršiuje tikrai galėtų būti skysto vandens.

Kepler-186f yra uolėta maždaug 10 proc. už Žemę didesnė planeta. Ji priklauso penkių planetų sistemai, iš jų dar dvi, tik šiek tiek didesnės, taip pat yra gyvybės zonoje. Planetų sistemos centre esanti žvaigždė yra gerokai už mūsų Saulę mažesnė raudonoji nykštukė, nutolusi nuo mūsų 490 šviesmečių atstumu. Šios žvaigždės yra dažnos ir sudaro daugiau nei 70 proc. mūsų galaktikos žvaigždžių. Tikėtina, kad gyvybės zonoje skriejančių planetų yra daugybė.

Atrasta ir labai senų egzoplanetų, kurių amžius siekia 80 proc. visatos amžiaus. Šis atradimas byloja, kad Žemės dydžio planetos formavosi beveik nuo pat Paukščių Tako galaktikos gimimo. Penkios egzoplanetos skrieja aplink 11,2 mlrd. metų amžiaus žvaigždę Kepler-444. Ši žvaigždė yra apie 25 proc. mažesnė už Saulę ir nuo mūsų nutolusi 117 šviesmečių atstumu. Visos penkios planetos yra maždaug Veneros dydžio arba mažesnės, turi uolėtą paviršių, bet kol kas nieko nėra žinoma apie jų cheminę sudėtį. Planetų prie tokios senos žvaigždės atradimas rodo, kad visatoje gali egzistuoti ir labai senos civilizacijos. Palyginimui – Žemė ir kiti objektai Saulės sistemoje susiformavo tik prieš 4,6 mlrd. metų. Tačiau Kepler-444 atveju, kai planetos yra labai arti žvaigždės ir labai karštos, nes aplink žvaigždę apskrieja greičiau nei per 10 dienų, skysto vandens jose neturėtų būti ir gyvybės egzistavimas yra abejotinas.

Tiriamos gyventi tinkamos egzoplanetos

Kai skaitome pranešimus, kad buvo surasta egzoplaneta gyvybei tinkamoje zonoje, pagal apibrėžimą tai reiškia, kad toje planetoje gali būti skysto vandens. Tam, kad galėtume planetoje gyventi, reikia daug daugiau sąlygų. Mūsų Saulės sistemoje gyvybės zona yra maždaug nuo Veneros iki Marso, bet jau žinome, kad šiose planetose gyvenimo sąlygos nėra tinkamos žmogui, nerasta ten ir kitų gyvybės formų.

Gyvybės zonos ribos apie žvaigždes keičiasi priklausomai nuo jų evoliucijos tempo. Pvz., yra įvertinta, kad mūsų Saulės spinduliuotė į Žemės paviršių prieš milijardą metų buvo maždaug 8 proc. mažesnė. Gyvybės zona nuo Saulės tolsta. Būtų gerai surasti gyventi tinkamą planetą prie mažesnės ir vėsesnės nei Saulė žvaigždės. Tokios žvaigždės evoliucionuoja lėčiau ir būtų galima gyventi daug ilgiau.

Visi apsidžiaugė, kai prie Kentauro Proksima žvaigždės buvo surasta egzoplaneta. Tai ne tik septynis kartus mažesnė už Saulę ir beveik dukart vėsesnė, bet ir arčiausiai prie Saulės sistemos esanti žvaigždė. Nuotolis iki jos yra 4,2 šviesmečių, o maždaug 1,3 Žemės masės planeta skrieja gyvybės zonoje. Tačiau problema ta, kad Kentauro Proksima yra labai aktyvi. Ji į planetos paviršių kas 10–30 valandų pažeria trisdešimt kartų stipresnius nei Saulė ekstremalius ultravioletinius spindulius ir net 250 kartų stipresnius rentgeno spindulių žybsnius. Planetas nuo žvaigždžių spindulių šiek tiek apsaugo magnetinis laukas, jei jos turi geležinį branduolį. Ši egzoplaneta bus tiriama toliau, bet joje sąlygos gyvybei tikriausiai nėra tinkamos.

Įdarbintas naujas kosminis palydovas

Su Keplerio teleskopu egzoplanetų buvo ieškoma tik nedideliame 115 kampinių laipsnių dangaus lopinėlyje (0,25 proc. viso dangaus skliauto). Didžioji dauguma egzoplanetų buvo atrastos prie tolimų žvaigždžių, o mums reikia, kad tinkamų gyventi planetų būtų atrasta prie kuo artimesnių žvaigždžių. Toks tikslas yra iškeltas kitai nuo 2018 m. balandžio jau skriejančiai NASA TESS observatorijai ir rengiamai skrydžiui Europos kosmoso agentūros PLATO observatorijai.

Pagrindinė TESS užduotis – egzoplanetų paieška artimoje Saulei aplinkoje. Tikimasi, kad TESS atras dvigubai daugiau planetų, nei atrado Keplerio teleskopas. Mokslininkai įvertino, kad per dvejus metus TESS turėtų atrasti 10 tūkst. planetų, 3500 iš jų turėtų būti mažesnės už Neptūną. Planuojama, kad per dvejus metus TESS stebės net 85 proc. viso dangaus skliauto.

Dauguma Keplerio teleskopu stebėtų žvaigždžių yra tolimos. Iki kai kurių iš jų atstumas – tūkstantis ar net daugiau šviesmečių. Daugiausia dėmesio TESS skirs ryškioms žvaigždėms, kurios yra pakankamai arti, kad būtų galima detaliai ištirti kitais instrumentais. Be to, skiriasi ir TESS bei Keplerio orbitos. Keplerio teleskopas skriejo orbitoje aplink Saulę, tuo tarpu TESS skrieja ištęsta elipsine orbita aplink Žemę. Šios orbitos periodas – 13,7 dienos, joje daugiau nėra jokių erdvėlaivių. Artimiausias šios orbitos taškas yra 108 tūkst. kilometrų atstumu nuo Žemės, o tolimiausias – 373 tūkst. kilometrų atstumu. Duomenys į žemę bus perduodami tuo metu, kai TESS bus arčiausiai Žemės esančiame orbitos taške. Ši orbita yra labai stabili, radiacijos lygis joje gana žemas, o temperatūros svyravimai nedideli.

Tik ištyrus žvaigždę bus ištirta jos planeta

TESS stebėjimų sėkmė priklausys ir nuo antžeminių teleskopų stebėjimų, kurie TESS aptiktas egzoplanetų kandidates tikrins, tvirtins ir charakterizuos. Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos instituto Astrospektroskopijos ir egzoplanetų grupės mokslininkai kartu su Danijos Orhuso universiteto Fizikos ir astronomijos instituto tyrėjais pradėjo tyrimus, kurių tikslas – atlikti maždaug 1000 ryškių F, G ir K galaktikos lauko žvaigždžių cheminės sudėties analizę, prisidėti analizuojant TESS stebėjimų duomenis, ieškoti koreliacijų tarp egzoplanetų tipo ir jų žvaigždžių cheminės sudėties.

Optiniai didelės skiriamosios gebos spektrai yra stebimi Vilniaus universiteto Molėtų astronomijos observatorijoje. Jie analizuojami naudojant šiuolaikinius analizės metodus. Taip nustatomi žvaigždžių pagrindiniai parametrai ir cheminė sudėtis, įskaitant planetoms charakterizuoti svarbius C, O, Mg ir Si cheminius elementus. Tikslių fizinių žvaigždžių parametrų nustatymas yra esminis žingsnis norint apibūdinti jas supančių planetų dydį ir tipą, o apie planetą galima sužinoti tik tiek, kiek leidžia žinios apie planetos žvaigždę.

Stebėjimų rezultatai bus naudojami TESS atrastoms egzoplanetoms charakterizuoti. Pagal tai, koks yra anglies ir deguonies bei magnio ir silicio gausos santykis žvaigždėje, bus galima įvertinti tikimybę, ar surasta egzoplaneta yra uolinga, ar dujinė. Nors Lietuva geru astroklimatu nepasižymi, parinkus tinkamas mokslines užduotis galima pasiekti puikių rezultatų. Jau pavyko užregistruoti beveik 400 žvaigždžių spektrus pačioje svarbiausioje TESS šiaurinio pusrutulio tyrimų zonoje, netoli Grįžulo Ratų žvaigždyno. Čia yra numatyti TESS nepertraukiami stebėjimai, čia darbuosis ir Džeimso Vebo kosminis teleskopas.

Pirmieji egzoplanetų atmosferų tyrimo žingsniai

Kita svarbi kosminė misija – Džeimso Vebo kosminis teleskopas (James Webb Space Telescope, JWST), kurį numatyta paleisti 2021 m., tirs TESS atrastų egzoplanetų atmosferų sudėtį. Daugiausia dėmesio bus skiriama potencialiai gyvybei tinkančioms planetoms, kurios turi uolėtą paviršių ir gali turėti skysto vandens. Vienas didžiausių Astrospektroskopijos ir egzoplanetų mokslinės grupės iššūkių – pasirengti tirti JWST didelės skyros planetų tranzitų spektrus. Bus žiūrima, kokių cheminių elementų ir jų junginių yra egzoplanetų atmosferose, ar ten yra gyvybės požymių.

Iš Saulės sistemos planetų atmosferų tyrimų jau žinoma, kad pagrindiniai biologinio aktyvumo indikatoriai, tokie kaip O2, O3, CH4, N2O ar CH3Cl buvimas planetos atmosferoje, gali būti sukelti ir ne gyvybinių procesų. Didesnė gyvybės tikimybė, kai planetos atmosferoje yra šių molekulių poros, pvz., O2 ir CH4 arba O2 ir N2O. Būdamos kartu šios molekulės gana greitai viena su kita reaguoja, ir jei nebūtų nuolatos gaminamos, išnyktų.

Kada nuskrisime į egzoplanetą?

Kai kurie mokslininkai mano, kad po 50 ar 100 metų bus įmanoma nusiųsti nedidelius robotinius erdvėlaivius į daugelį naujai atrastų egzoplanetų ir ištirti jas iš arčiau. Proksima b turėtų būti vienas pirmųjų objektų, prie kurių bus bandoma nuskristi.

Milijardierių Jurijaus Milnerio ir „Facebook“ įkūrėjo Marko Zuckerbergo vykdomo projekto „Breakthrough Starshot“ tikslas – iššauti flotilę mažyčių zondų, kuriuos mikrobangų lazeriais tikimasi įgreitinti iki penktadalio šviesos greičio, kad nuskristų iki Kentauro Proksimos per 20 metų ir nufotografuotų sistemą. Tam tikslui reikalinga technologinė įranga turi tapti pakankamai kompaktiška, kad tilptų į keleto centimetrų dydžio kosminį aparatą, o jo medžiagos turi būti labai atsparios karščiui, šalčiui, slėgiui ir kitiems ekstremaliems kosminio skrydžio faktoriams. Šio projekto idėją labai aistringai palaikė astrofizikas Stephenas Hawkingas.

Yra įvertinta, kad tranzitų metodu mes galime aptikti tik vieną iš 210 egzoplanetų, nes ne visos planetos besisukdamos apie žvaigždę ją užstoja mūsų stebėjimo kryptimi. Jei nepavyktų greitai surasti žemiškajai civilizacijai tinkamos egzoplanetos tranzitų metodu, reiktų ir toliau tobulinti paieškos metodus bei technologijas ir neprarasti vilties. Na ir, žinoma, nepražudyti savo planetos Žemės anksčiau, nei būsime priversti ir galėsime išskristi į kitas egzoplanetas.

Habil. dr. Gražina Tautvaišienė, Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos instituto direktorė, „Spectrum“