Planety Swobodne w Drodze Mlecznej

Naukowcy od dawna przewidywali istnienie samotnych planet podobnych do Ziemi, wyrzuconych z macie-rzystych układów planetarnych i niezwiązanych grawitacyjnie z żadną gwiazdą. Astronomowie z prowadzonego w Obserwatorium Astronomicznym UW przeglądu nieba OGLE po raz pierwszy znaleźli ślady takich obiektów. Swoje odkrycie opisują w najnowszym numerze prestiżowego tygodnika naukowego Nature.

Mikrosoczewkowanie grawitacyjne przez planetę swobodną – wizja artystyczna

Autor: Dr Jan Skowron (Obserwatorium Astronomiczne UW).

Nie wszystkie układy planetarne są tak stabilne jak Układ Słoneczny. Wzajemne oddziaływanie planet w młodych układach może skutkować ich zderzeniami, spadkiem na gwiazdę lub – najczęściej – wyrzuceniem z macierzystego układu. Planety swobodne mogą również powstawać w wyniku innych procesów, na przykład oddziaływań w gromadach gwiazdowych lub przelotów innych gwiazd w pobliżu układu planetarnego. Niestety, z wyjątkiem bardzo młodych obiektów, planet swobodnych nie można zaobserwować bezpośrednio ponieważ nie emitują światła. Do ich poszukiwania astronomowie  wykorzystują metodę soczewkowania grawitacyjnego.

Jeżeli między obserwatorem na Ziemi a odległą gwiazdą-źródłem znajdzie się masywny obiekt – inna gwiazda lub planeta – to jego grawitacja może ugiąć i skupić światło źródła. Obserwator na Ziemi zobaczy krótkotrwałe pojaśnienie odległego źródła – tłumaczy Przemek Mróz, doktorant w Obserwatorium Astronomicznym UW i pierwszy autor publikacji w Nature.

Obserwowany sygnał nie zależy od jasności soczewki, jest to więc sposób na wykrywanie obiektów w ogóle nieświecących, jak czarne dziury czy planety. Czas trwania zjawiska mikrosoczewkowania zależy od masy soczewki – im mniejsza masa, tym krótsze zjawisko. O ile typowe pojaśnienia mikrosoczewkowe wywołane przez gwiazdy trwają od kilku do kilkuset dni, to zjawiska wywołane przez planety o masie Jowisza trwają typowo 1–2 dni, a przez planety ziemskie – zaledwie kilka godzin. Prawdopodobieństwo soczewkowania pojedynczego źródła jest bardzo małe, współczesne przeglądy mikrosoczewkowe monitorują więc setki milionów gwiazd znajdujących się w centrum Drogi Mlecznej.  Pierwszą próbę znalezienia planet swobodnych podjęto na podstawie analizy zjawisk mikrosoczewkowania odkrytych przez japońsko-nowozelandzki zespół MOA. Rezultat – opublikowany w 2011 roku – wskazywał, iż swobodnych planet podobnych do Jowisza powinno być w Galaktyce dwa razy więcej niż gwiazd.

Publikacja wzbudziła ogromne zainteresowanie środowiska naukowego. Jednak z biegiem lat pojawiało się coraz więcej wątpliwości – mówi prof. Andrzej Udalski, kierownik projektu OGLE.

Żadna ze znanych teorii powstawania układów planetarnych nie przewidywała istnienia aż tak dużej liczby swobodnych planet jowiszowych. Ponadto najnowsze obserwacje młodych gromad gwiazd w podczerwieni, czułe na masywne planety, nie potwierdziły dużej nadwyżki samotnych planet jowiszowych sugerowanej w pracy z 2011 roku.

Rozwiązanie tej zagadki przyniosły nowe obserwacje zjawisk mikrosoczewkowania przeprowadzone przez polski zespół OGLE w latach 2010–15 za pomocą 1,3-metrowego teleskopu, znajdującego się w Obserwatorium Las Campanas w Chile – miejscu o najlepszych na świecie warunkach do prowadzenia obserwacji astronomicznych. Obrazy uzyskiwane za pomocą polskiego teleskopu są lepszej jakości niż używane w poprzedniej analizie, co umożliwia dokładniejsze pomiary jasności i dokładniejsze pomiary skal czasowych zjawisk mikrosoczewkowania. Dzięki zamontowaniu nowych detektorów światła w 2010 roku zwiększyły się znacznie możliwości obserwacyjne polskiego teleskopu: duży obszar nieba mógł być fotografowany co 20 minut. Tak częste obserwacje pozwalają na wykrywanie krótkotrwałych zjawisk mikrosoczewkowania wywołanych przez swobodne planety – ziemskie i jowiszowe.

Przeanalizowaliśmy krzywe blasku prawie 50 milionów gwiazd obserwowanych przez sześć lat. Łącznie to prawie 400 miliardów pojedynczych pomiarów jasności – mówi Przemek Mróz. Analiza tej gigantycznej ilości danych nie wskazuje na istnienie znacznej nadwyżki zjawisk mikrosoczewkowania trwających 1-2 dni, czyli wywołanych przez swobodne planety jowiszowe. Nasz rezultat oznacza, że na sto gwiazd przypada mniej niż 25 samotnych Jowiszów – co jest zgodne z przewidywaniami obecnych teorii formowania się układów planetarnych.

Naukowcy zauważyli dodatkowo kilka wyjątkowo krótkich zjawisk mikrosoczewkowania, trwających zaledwie kilka godzin. Takie skale czasowe odpowiadają soczewkowaniu przez bardzo małomasywne planety podobne do Ziemi.  Ponieważ czułość naszego eksperymentu na takie zjawiska jest bardzo mała, sam fakt ich detekcji sugeruje, że małomasywne planety swobodne, w przeciwieństwie do masywnych jowiszo-podobnych, mogą być powszechne w Drodze Mlecznej i występować nawet kilka razy częściej niż gwiazdy – mówi prof. Udalski.

Nie możemy jednak wykluczyć, że część z tych ultrakrótkich zjawisk jest wywołana przez nieznane gwiazdy rozbłyskowe albo inne astrofizyczne źródła – zauważa dr Jan Skowron, współautor publikacji w Nature.

W tej chwili osiągnęliśmy praktycznie maksymalną czułość rejestracji planet swobodnych jaką można uzyskać na podstawie obserwacji prowadzonych z powierzchni Ziemi z jednego obserwatorium –  dodaje Przemek Mróz. Przyszłe eksperymenty mikrosoczewkowania grawitacyjnego wykonywane przez misje kosmiczne WFIRST i Euclid będą mogły wykryć jeszcze mniej masywne planety, nawet o masie mniejszej niż masa Marsa.

Odkrycie nie byłoby możliwe bez wieloletnich obserwacji prowadzonych przez przegląd nieba OGLE. Projekt OGLE, który jest jednym z największych współczesnych przeglądów nieba, w tym roku obchodzi 25-tą rocznicę powstania. Jednym z pierwszych celów naukowych przeglądu OGLE było odkrycie i badanie zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Obecnie prowadzone badania dotyczą bardzo wielu dziedzin współczesnej astrofizyki – poszukiwania planet pozasłonecznych, badania struktury i ewolucji Drogi Mlecznej i sąsiednich galaktyk, gwiazd zmiennych, kwazarów, zjawisk przejściowych (gwiazd nowych, supernowych).

Praca opisująca wyniki badań została opublikowana w prestiżowym tygodniku naukowym Nature: „No large population of unbound or wide-orbit Jupiter-mass planets”, Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Jan Skowron, Radosław Poleski, Szymon Kozłowski, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Krzysztof Ulaczyk, Dorota Skowron & Michał Pawlak, 2017, Nature, doi:10.1038/nature23276.

Projekt OGLE jest współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego  (granty naukowe Ideas i Iuventus plus, Stypendia dla Wybitnych Młodych Naukowców, Diamentowe Granty, SPUB),  Narodowe Centrum Nauki (granty MAESTRO, Opus, Harmonia, Sonata, Symfonia) oraz Fundację na Rzecz Nauki Polskiej (subsydia profesorskie, programy Team, Homing, Focus oraz Start).