Prof. Udalski i planety swobodne. Pierwszy bezpośredni pomiar masy metodą mikrosoczewkowania

Astronomowie związani z projektem OGLE, zainicjowanym na Uniwersytecie Warszawskim, po raz pierwszy bezpośrednio wyznaczyli masę planety, która nie krąży wokół żadnej gwiazdy. Taki obiekt, nazywany planetą swobodną, wędruje przez Drogę Mleczną niezwiązany grawitacyjnie z żadnym układem planetarnym. To kolejny przełom naukowy dokonany przez projekt OGLE, prowadzony od ponad trzech dekad przez prof. Andrzeja Udalskiego, członka rzeczywistego Polskiej Akademii Nauk

Modele powstawania układów planetarnych dopuszczają scenariusze, w których młode planety są wyrzucane z macierzystych systemów – na skutek oddziaływań grawitacyjnych lub bliskich przejść innych gwiazd. Prof. Andrzej Udalski, astronom z Uniwersytetu Warszawskiego, podkreśla, że skala tego zjawiska może być znaczna. – Ostatnie oszacowania wskazują, że planet swobodnych może być co najmniej tyle, ile planet związanych grawitacyjnie z gwiazdami – mówi w rozmowie z Academią. Dotąd brakowało jednak kluczowej informacji. – Było kilka kandydatów na planety swobodne, ale nigdy nie mogły zostać jednoznacznie potwierdzone poprzez bezpośredni, precyzyjny pomiar masy – zaznacza.

Dlaczego planety swobodne wymykały się astronomom

Samotna planeta nie świeci własnym światłem i nie ma gwiazdy, której ruch lub tranzyty zdradziłyby obecność towarzysza. Tymczasem to właśnie tymi metodami odkrywana jest dziś większość znanych egzoplanet w klasycznych układach planetarnych.

Nowe odkrycie było możliwe dzięki technice, nad którą zespół OGLE pracuje od dekad: mikrosoczewkowaniu grawitacyjnemu. Metoda ta pozwala wykrywać obiekty ciemne i niezwiązane grawitacyjnie z żadnym towarzyszem, ponieważ nie wymaga, by soczewkujące ciało emitowało własne promieniowanie. – Mechanizm polega na tym, że grawitacja ugina światło odległej gwiazdy. Obiekty posiadające masę działają w pewnych sytuacjach podobnie do soczewek – wyjaśnia Udalski. Gdy na linii widzenia między gwiazdą a obserwatorem znajdzie się masywny obiekt, na przykład planeta, chwilowo wzmacnia on docierające do nas światło. Obserwator rejestruje więc krótkotrwały wzrost jasności, po którym następuje powrót do stanu wyjściowego.

Kształt takiej krzywej jasności zawiera informację o masie soczewki, lecz do jej dokładnego wyznaczenia potrzebne są jeszcze inne dodatkowe dane. – M. in., żeby oszacować masę, musimy znać również odległość do tego obiektu. A to jest najtrudniejsze – i rzadko się udaje – mówi Udalski.

Klucz do bezpośredniego pomiaru, nad którym OGLE pracuje od lat

Przełom przyniosło połączenie obserwacji naziemnych z danymi z kosmosu. W opisywanym przypadku zjawisko mikrosoczewkowania zostało zarejestrowane jednocześnie przez teleskopy projektu OGLE, sieć KMTNet oraz satelitę Gaia, znajdującego się około 2 mln km od Ziemi. Dzięki temu możliwe było porównanie przebiegu zjawiska z dwóch różnych punktów obserwacyjnych i wykorzystanie efektu paralaksy.

– Z perspektywy Gai zjawisko było opóźnione i miało nieco inną amplitudę – opisuje Udalski, dodając, że pozwoliło to odtworzyć geometrię zdarzenia, wyznaczyć odległość do soczewki, a w konsekwencji także jej masę. Otrzymana wartość – 0,22 masy Jowisza, czyli około 70 mas Ziemi – jednoznacznie klasyfikuje obiekt jako planetę, a nie brązowego karła.

W przypadku planet mikrosoczewkowanie jest wyjątkowo wymagające, ponieważ sygnały trwają bardzo krótko. Dla obiektu o masie Jowisza zjawisko trwa zwykle dzień lub dwa, a dla mas zbliżonych do ziemskiej – zaledwie kilka godzin. Oznacza to konieczność stałego monitorowania ogromnych obszarów nieba i błyskawicznej reakcji na zmiany jasności, ponieważ takie zdarzenie nie powtórzy się ponownie.

Udalski nie ukrywa, że najnowszy wynik przyniósł mu osobistą satysfakcję. – Bardzo miło jest dołożyć kolejną dużą cegiełkę do tego gmachu badań pozaplanetarnych. Te niespodziewane odkrycia dają największą radość – mówi.

Trzy dekady systematycznych obserwacji

Andrzej Udalski jest profesorem nauk fizycznych, astronomem i astrofizykiem, byłym dyrektorem Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego oraz członkiem rzeczywistym Polskiej Akademii Nauk. Od 1992 roku kieruje stworzonym przez siebie projektem OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), jednym z najdłużej działających i wciąż aktywnych przeglądów nieba na świecie. W latach 1995–1996 brał udział w budowie Teleskopu Warszawskiego w Obserwatorium Las Campanas w Chile, które do dziś pozostaje kluczowym miejscem obserwacji OGLE.

Jest autorem i współautorem ponad 750 prac naukowych i od lat należy do grona najbardziej wpływowych badaczy zajmujących się mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. Wraz z zespołem OGLE współodkrył liczne planety pozasłoneczne oraz obiekty transneptunowe, w tym największy polski obiekt w Układzie Słonecznym – planetę karłowatą  (471143) Dziewanna. W 2012 roku został odznaczony Krzyżem Komandorskim Orderu Odrodzenia Polski.

Dla zespołu OGLE wynik z planetą swobodną stanowi dowód, że konsekwentne obserwacje i dopracowana metodologia pozwalają „ważyć” obiekty niewidoczne. Udalski zaznacza jednak, że nawet w ramach wielkich przeglądów nieba odkrycia tej klasy należą do rzadkości. – Takie naprawdę wyjątkowe odkrycia trafiają się dość rzadko – podkreśla.

Najbliższe lata mają przynieść dalsze badania planet swobodnych. Dopiero większa próbka pozwoli oszacować ich liczebność i rozkład mas. Udalski zwraca uwagę, że pierwsza zmierzona planeta może nie być typowa i że „powinno być dużo więcej lżejszych”, co oznacza jeszcze krótsze zjawiska i jeszcze większe wymagania obserwacyjne.

Równolegle OGLE planuje intensywne badania innych ciemnych obiektów w Drodze Mlecznej. – Swobodne czarne dziury również można ważyć metodą mikrosoczewkowania – mówi Udalski, dodając, że takie zjawiska trwają znacznie dłużej, nawet setki dni, co dobrze współgra z długimi seriami obserwacji prowadzonymi w ramach projektu.

Zapytany o to, co najbardziej go napędza po ponad trzech dekadach prowadzenia OGLE, odpowiada bez wahania: – Te niespodziewane odkrycia.

• aktualności
• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi
• Polska Akademia Nauk
• popularyzacja