Odkrycie swobodnych planet pozasłonecznych w Galaktyce

Międzynarodowy zespół astronomów prowadzący fotometryczne przeglądy nieba w kierunku centrum Galaktyki w poszukiwaniu zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego poinformował o odkryciu nowej klasy planet pozasłonecznych – swobodnie poruszających się ciał o masach rzędu masy Jowisza. Według naukowców są to najprawdopodobniej planety, które zostały wyrzucone przez siły grawitacyjne z powstających układów planetarnych.

Odkrycie swobodnych planet pozasłonecznych w Galaktyce

Międzynarodowy zespół astronomów prowadzący fotometryczne przeglądy nieba w kierunku centrum Galaktyki w poszukiwaniu zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego poinformował o odkryciu nowej klasy planet pozasłonecznych – swobodnie poruszających się ciał o masach rzędu masy Jowisza. Według naukowców są to najprawdopodobniej planety, które zostały wyrzucone przez siły grawitacyjne z powstających układów planetarnych.

W skład zespołu wchodzą astronomowie z japońsko-nowozelandzkiej grupy MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) oraz naukowcy z  prowadzonego w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego pod kierunkiem  prof. dr. hab. Andrzej Udalskiego wielkoskalowego przeglądu nieba OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment). Praca informująca o odkryciu ukazała się w prestiżowym tygodniku naukowym Nature („Unbound or distant planetary mass population detected by gravitational microlensing”,  The MOA Collaboration & The OGLE Collaboration, 2011, Nature, 473,  str. 349–352).

Odkrycie oparte jest na wynikach poszukiwania krótkotrwałych zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego występujących w kierunku centrum Galaktyki. Tego typu zjawiska zachodzą gdy obdarzony masą obiekt (gwiazda, planeta) – soczewka – przechodzi przed inną odległą gwiazdą tła. Przechodzące ciało ugina swym polem grawitacyjnym promieniowanie gwiazdy tła powodując jej wzmocnienie i pojaśnienie. Zjawiska mikrosoczewkowania zostały przewidziane jako wynik teorii względności przez Alberta Einsteina i zaproponowane do wykorzystania w wielu współczesnych  zastosowaniach astrofizycznych przez nieżyjącego już wybitnego polskiego astronoma, prof. Bohdana Paczyńskiego. Czas trwania pojaśnienia soczewkowanej gwiazdy tła zależy od masy obiektu soczewkującego: w przypadku gwiazd pojaśnienie może trwać kilkadziesiąt dni, w przypadku obiektów planetarnych jest krótkotrwałe, z reguły poniżej 2–3 dni.

W danych fotometrycznych zebranych w obserwatorium Mt. John w Nowej Zelandii w latach 2006—2007 przez zespół MOA, prowadzący obserwacje kilku obszarów nieba z dużą rozdzielczością czasową, udało się znaleźć dziesięć przypadków krótkotrwałych zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego, które najprawdopodobniej wywołane zostały przez obiekty o masie porównywalnej z masą Jowisza. Większa część tych samych obszarów nieba obserwowana była również przez polski projekt OGLE w obserwatorium Las Campanas w Chile. Znacznie lepsze dane obserwacyjne i korzystne położenie Obserwatorium Las Campanas względem Obserwatorium Mt. John pozwoliły uzupełnić dane i potwierdzić  mikrosoczewkowy charakter zaobserwowanych zjawisk.

Brak sygnału mikrosoczewkowania od centralnych gwiazd w zarejestrowanych zjawiskach świadczy o tym, że najprawdopodobniej są to swobodne planety, uwolnione z układów planetarnych lub planety krążące na bardzo odległych orbitach. Jednak inne badania wskazują, że te ostatnie przypadki są bardzo rzadkie.

Swobodne planety były przez lata przedmiotem spekulacji teorii naukowych, ale ich istnienie pozostawało niepewne. Obecne odkrycie pokazuje, że obiekty tego typu rzeczywiście istnieją w przyrodzie. Co więcej, duża, znacząco większa od oczekiwanej, liczba odkrytych tych niezmiernie trudno wykrywalnych ciał świadczy o tym, że muszą być one znacząco liczniejsze niż się można było spodziewać. Wstępne oszacowania wskazują, że obiektów tego typu, o masie większej niż masa Jowisza, na wykrycie których pozwalają analizowane w pracy dane, może być nawet dwukrotnie więcej niż zwykłych gwiazd w Galaktyce. Liczba swobodnych planet o masach mniejszych,  możliwych do odkrycia w przyszłości dzięki dokładniejszym obserwacjom, m.in. spoza Ziemi, może być dużo większa niż swobodnych Jowiszów, gdyż zarówno teoria, jak i obserwacje planet związanych z gwiazdami pokazują, że małomasywnych planet jest znacząco więcej niż planet masywnych.

Dotychczas astronomom udało się znaleźć kilka samodzielnych obiektów planetopodobnych o masach kilku mas Jowisza, w okolicach powstających gromad gwiazdowych. Jednak astronomowie sądzą, że tego typu obiekty powstają w sposób analogiczny do gwiazd – z kurczących się sferycznych obłoków pyłu i gazu i są raczej podobne do tzw. brązowych karłów – niedoszłych gwiazd, których masa jest zbyt mała by wytwarzać stabilnie energię w procesach reakcji termojądrowych.

Z kolei przypuszcza się, że planety swobodne najprawdopodobniej powstają w dyskach protoplanetarnych, z których zostają wystrzelone i oderwane od macierzystych układów planetarnych przez siły grawitacyjne. Dzieje się tak  na skutek ich zbliżania do sąsiednich masywnych planet lub w rezultacie zbliżenia się do układu planetarnego sąsiednich gwiazd. Oderwane wówczas planety krążą na stabilnych orbitach wokół środka Galaktyki, podobnie jak inne gwiazdy, pozostając niedostępnymi obserwacjom metodami innymi niż mikrosoczewkowanie.

Zaobserwowana liczba swobodnych planet wydaje się potwierdzać scenariusz wystrzeliwania planet. W przeciwnym razie zaobserwowano by ich dużo mniej. Wydaje się, że systemy planetarne w fazie formowania często pozostają niestabilne i ucieczka z nich planet jest zjawiskiem częstym. Można się też spodziewać, że wystrzeliwanie planet mniej masywnych niż Jowisz będzie powszechniejsze i ich liczba będzie dużo większa niż liczba masywnych planet swobodnych.

Wyniki opublikowane w Nature stanowią dopiero bardzo wstępne oszacowanie powszechności występowania planet swobodnych. Dokładniejsze informacje o ich liczebności, własnościach i parametrach będą możliwe po zebraniu znacząco większej próbki tych obiektów. Obserwacje zbierane w trakcie rozpoczętej w marcu 2010 roku czwartej fazy projektu OGLE już od kilkunastu miesięcy dostarczają odpowiednich danych obserwacyjnych. Projekt OGLE-IV, prowadzony w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego, jest przeglądem nieba nowej generacji odkrywającym kilka razy więcej zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego niż dotychczasowe przeglądy. Po kilku sezonach obserwacyjnych liczba zaobserwowanych zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego wywołanego przez swobodne planety powinna być wystarczająco duża do pełniejszej charakteryzacji ich własności.

Projekt OGLE-IV dostarczy też unikalnych danych umożliwiających scharakteryzowanie planet pozasłonecznych w układach związanych, krążących wokół macierzystych gwiazd w odległości od jednej do kilku odległości Ziemia–Słońce. Badanie własności tego typu planet, znajdujących się w niezmiernie ważnych rejonach systemów planetarnych – poza tzw.  linią śniegu, gdzie układy planetarne powstają, jest możliwe obecnie tylko za pomocą techniki mikrosoczewkowania grawitacyjnego. W przyszłości planowane są misje kosmiczne (WFIRST), które pozwolą na jeszcze dokładniejsze scharakteryzowanie tego typu planet i planet swobodnych tą samą techniką.

The MOA Collaboration: T. Sumi, K. Kamiya, D.P. Bennet, I.A. Bond, F. Abe, C.S. Botzler, A. Fukui, K. Furusawa, J.B. Hearnshaw, Y. Itow, P.M. Kilmartin, A. Korpela, W. Lin, C.H. Ling, K. Masuda, Y. Matsubara, N. Miyake, M. Motomura, Y. Muraki, M. Nagaya, S. Nakamura, K. Ohnishi, T. Okumura, Y.C. Perrott, N. Rattenbury, To. Saito, T. Sako, D.J. Sullivan, W.L. Sweatman, P.J. Tristram & P.C.M. Yock.

The OGLE Collaboration: A. Udalski, M.K. Szymański, M. Kubiak, G. Pietrzyński, R. Poleski, I. Soszyński, Ł. Wyrzykowski & K. Ulaczyk

Projekt OGLE jest współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC, program IDEAS Advanced Grants dla prof. Andrzeja Udalskiego)