W naszej Galaktyce mogą znajdować się miliardy samotnych planet, niezwiązanych z żadnymi gwiazdami. Międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez polskich astronomów z Obserwatorum Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, ogłosił odkrycie najmniejszej planety swobodnej typu ziemskiego.

Astronomowie odkryli do tej pory ponad cztery tysiące planet pozasłonecznych. Większość z nich nie przypomina planet znanych w Układzie Słonecznym, jednak mają one jedną wspólną cechę – krążą wokół macierzystej gwiazdy. Naukowcy, którzy badają powstawanie i ewolucję układów planetarnych, takich jak Układ Słoneczny, od dawna przewidywali istnienie planet swobodnych, wyrzuconych ze swoich macierzystych układów i przemierzających samotnie Galaktykę. Rzeczywiście, kilka lat temu badania prowadzone przez polskich naukowców z zespołu OGLE z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego po raz pierwszy dostarczyły dowodów na istnienie takich planet w Drodze Mlecznej. Na łamach najnowszego numeru prestiżowego czasopisma Astrophysical Journal Letters astronomowie z zespołu OGLE ogłosili odkrycie najmniejszej planety swobodnej znalezionej do tej pory.

W wyjatkowych okolicznościach możemy bezpośrednio obserwować światło pochodzące od planet pozasłonecznych, większość z nich została odkryta w wyniku obserwacji pośrednich – efektów wpływu planet na ich macierzyste gwiazdy. Planety swobodne prawie w ogóle nie emitują światła i – z definicji – nie krążą wokół żadnej gwiazdy. Ich wykrycie za pomocą klasycznych metod jest więc praktycznie niemożliwe. Astronomowie wykorzystują do tego technikę mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Mikrosoczewkowanie grawitacyjne jest efektem wynikającym z ogólnej teorii względności. Einstein przewidział, że bieg promieni światła w pobliżu masywnych obiektów może ulec zakrzywieniu. Ich grawitacja działa jak gigantyczna soczewka, która skupia i wzmacnia światło od odległych gwiazd.

Jeżeli między obserwatorem na Ziemi a odległą gwiazdą-źródłem znajdzie się masywny obiekt – inna gwiazda lub planeta – to w jego polu grawitacyjnym może nastąpić ugięcie i skupienie światła pochodzącego od źródła.  Obserwator na Ziemi zobaczy wtedy krótkotrwałe pojaśnienie odległego źródła. Szansa na zaobserwowanie zjawisk mikrosoczewkowania jest niezwykle mała, ponieważ trzy obiekty – źródło, soczewka i obserwator – muszą znaleźć się niemal idealnie w jednej linii. Gdybyśmy patrzyli na tylko jedną gwiazdę-źródło, musielibyśmy czekać średnio prawie milion lat, żeby zaobserwować mikrosoczewkowanie.

Właśnie dlatego w ramach współczesnych eksperymentów zajmujących się poszukiwaniem zjawisk mikrosoczewkowania obserwowane są ciągle setki milionów gwiazd znajdujących się w centrum Drogi Mlecznej – tam gdzie prawdopodobieństwo zajścia tego zjawiska jest największe. Jednym z takich eksperymentów jest OGLE – przegląd nieba prowadzony przez astronomów z Uniwersytetu Warszawskiego. Projekt jest jednym z największych i najstarszych współczesnych przeglądów nieba, jest realizowany od ponad 28 lat. Polacy dysponują Teleskopem Warszawskim, znajdującym się w Obserwatorium Las Campanas w Chile. Każdej pogodnej nocy polscy astronomowie kierują teleskop na te same obszary nieba, mierzą jasność setek milionów gwiazd i wypatrują obiektów, które zmieniają jasność.

Mikrosoczewkowanie grawitacyjne nie zależy od jasności soczewki, jest to więc doskonały sposób na wykrywanie obiektów, które w ogóle nie emitują światła, takich jak planety swobodne. Im obiekt-soczewka jest mniej masywny, tym zjawiska mikrosoczewkowania są średnio krótsze: o ile typowe pojaśnienia mikrosoczewkowe wywołane przez gwiazdy trwają kilkanaście dni, to zjawiska wywołane przez planety o masie Jowisza trwają typowo 1–2 dni, a przez planety ziemskie – zaledwie kilka godzin.

Rozmiar mikrosoczewek grawitacyjnych wywołanych przez gwiazdy jest zwykle znacznie większy niż rozmiar gwiazdy-źródła. Światło całej tarczy gwiazdy-źródła jest skupiane przez soczewkę grawitacyjną. Inaczej jest w przypadku soczewkowania przez planety. Wtedy pojaśnieniu ulega tylko niewielka część powierzchni gwiazdy. Ten efekt umożliwia astronomom bardziej precyzyjne oszacowania masy soczewki.

Astronomowie ogłosili odkrycie najkrótszego zjawiska mikrosoczewkowania znalezionego do tej pory, o nazwie OGLE-2016-BLG-1928, o skali czasowej zaledwie 42 minut. Już w momencie odkrycia było oczywiste, że musiało ono zostać spowodowane przez niezwykle mały obiekt. Rzeczywiście, modele zjawiska opracowane przez naukowców wskazują, że soczewką był obiekt mniejszy od Ziemi (o masie mniej więcej trzech mas Marsa), znajdujący się kilkanaście tysięcy lat świetlnych od Słońca. Jest to prawdopodobnie samotna planeta. Gdyby w jej pobliżu znajdowała się gwiazda, odkrytoby  jej obecność. Gwiazda wywołałaby drugie, dłuższe pojaśnienie.

Astronomowie z zespołu OGLE już wcześniej dostarczyli dowodów na istnienie w naszej Galaktyce dużej populacji planet swobodnych o masach podobnych do masy Ziemi.  Obecne odkrycie potwierdza, że małomasywne planety swobodne występują często w Drodze Mlecznej, mogą byc ich miliardy, i że można je wykrywać i charakteryzować za pomocą obserwacji prowadzonych z powierzchni Ziemi.

Najprawdopodobniej zjawisko OGLE-2016-BLG-1928 zostało wywołane przez obiekt, który opuścił swój macierzysty układ planetarny tuż po jego powstaniu. Wzajemne oddziaływania między protoplanetami mogą prowadzić do wyrzucenia niektórych z nich w przestrzeń międzygwiazdową. Istnieje jednak wiele innych mechanizmów, które mogą dawać ten sam skutek. Badania planet swobodnych umożliwiają więc nam lepsze zrozumienie procesów prowadzących do formowania się planet i układów planetarnych.

Oprócz danych zebranych przez projekt OGLE, w badaniach wykorzystano obserwacje zjawiska OGLE-2016-BLG-1928 wykonane przez koreańską sieć teleskopów KMTNet (Korea Microlensing Telescope Network). Projekt KMTNet dysponuje trzema teleskopami – w Chile, Australii i Południowej Afryce.

Poszukiwanie planet swobodnych jest jednym z motorów naukowych misji teleskopu kosmicznego Nancy Grace Roman, flagowej misji przygotowywanej przez amerykańską agencję kosmiczną NASA. Teleskop ma zostać wystrzelony na orbitę w 2025 roku i ma szanse zrewolucjonizować tę dziedzinę badań planet pozasłonecznych.

Wyniki badań zostały opisane w pracy: „A terrestrial-mass rogue planet candidate detected in the shortest-timescale microlensing event”, Mróz, P., Poleski, R., Gould, A. et al. 2020, Astrophysical Journal Letters, 903, L11, (arXiv:2009.12377)