Egzoplanetos ir keli kiti protingi žodžiai

 

“Twinkle twinkle little star

How I wonder what you are”

~Angliška lopšinė

 

Šiandien nusprendžiau supažindinti skaitytojus su viena iš plačių ir svarbių astrofizikos sričių – egzoplanetų paieška. Tiesą sakant, sugalvojau apie tai parašyti dar pavasarį, bet jūs juk žinote, kaip su manim būna… Tai va, pradėsiu nuo to, kad paaiškinsiu tą protingą žodį. Egzoplaneta – tai planeta, besisukanti apie kitą žvaigždę, nei Saulė. Tokių planetų dabar žinoma keli šimtai.

 

 

Teoriškai apie planetų “kažkur toli” egzistavimą samprotavo dar Antikos filosofai. Pirmasis kažką moksliško šia tema parašė Niutonas XVIII amžiaus pradžioje. Rimčiau apie tokių planetų buvimą imta galvoti XIXa., tačiau pirmosios planetos aptiktos buvo tik mažiau nei prieš 20 metų. Nuo tada jų kasmet aptinkama po keliolika, pastaraisiais metais – po kelias dešimtis. Manoma, kad planetų gali būti bent prie kas dešimtos į Saulę panašios žvaigždės (t.y. pagrindinės sekos, maždaug 4-6 milijardų metų senumo žvaigždės), o gal ir gerokai daugiau. Gal ir žalių žmogeliukų kur nors ten pavyks aptikti?

 

Kodėl egzoplanetos buvo tikrai rastos tik visai neseniai? Juk tuo metu astronomai jau gerai žinojo apie kitas galaktikas, tyrinėjo supernovas ir ankstyvąją kosmoso struktūrą, ir taip toliau ir panašiai. Ogi todėl, kad jas surasti yra beprotiškai sunku. Planeta, pagal apibrėžimą, yra dangaus kūnas, mažesnis nei 13 Jupiterio masių (t.y. apie 1,3 proc. Saulės masės – didesni kūnai jau gali įsižiebti ir bent neilgam laikui tapti žvaigždėmis), bet pakankamai didelis, kad visas būtų savo gravitacijos lauke (kai kurios miniatiūrinės dulkės tokios nėra); jis turi suktis aplink žvaigždę (t.y. nebūti planetos palydovas); ir nebūti kokio nors žiedo dalis (asteroidas). Paskutiniai trys reikalavimai iš esmės svarbūs tik klasifikuojant Saulės sistemos kūnus, bet pirmasis reiškia, jog planetos, palyginus su žvaigždėmis, yra labai mažos. Mažiausios pagrindinę seką pasiekiančios žvaigždės yra kone 80 kartų sunkesnės už Jupiterį (tarpiniai variantai tarp planetos ir “normalios” žvaigždės vadinami rudosiomis nykštukėmis), o Saulė už Jupiterį sunkesnė maždaug tūkstantį kartų. Taigi planetos yra mažytės.

 

Bet ne masė yra svarbiausias dalykas, nulemiantis, kodėl taip sunku rasti planetas. Daug svarbiau yra tai, kad žvaigždės šviečia, o planetos – ne. Taigi bet kokioje kitoje planetinėje sistemoje žvaigždės šviesa beviltiškai užtemdys bet kokį planetų blizgesį. Norint “pamatyti” kitas planetas, beveik visada tenka pasitelkti netiesioginius stebėjimo metodus, apie kuriuos žemiau ir pakalbėsiu.

 

Turbūt paprasčiausias iš šių metodų yra užtemimų stebėjimas. Kai kurių planetinių sistemų ekliptikos plokštuma (ta plokštuma, kurioje juda sistemos masės centras) kerta mūsų Žemę. Taigi, karts nuo karto planetos, besisukančios apie tą žvaigždę, praskrenda tiksliai tarp jos ir Žemės. Pačios planetos pamatyti neišeina, bet žvaigždė truputėlį aptemsta – įvyksta užtemimas, visai kaip tada, kai Mėnulis praskrenda tarp mūsų ir Saulės. Pastebėjus tokį užtemimą, ypač jei jis pasikartoja periodiškai, galima daryti išvadą, kad aplink žvaigždę sukasi planeta. Galima netgi nustatyti planetos apsisukimo periodą bei jos spindulį. Aišku, gali pasitaikyti, kad tokia išvada yra klaidinga. Pavyzdžiui, žvaigždės šviesis gali kisti pats savaime, ir daryti tai periodiškai. Vis dėlto atrodo, kad planetų tranzitai ir savaiminiai šviesio kitimai sukuria akivaizdžiai kitokius šviesio linijų (grafikų, rodančių šviesio kitimą, bėgant laikui) profilius, tad šis aptikimo metodas yra gana patikimas.

 

Didžiausia užtemimų stebėjimo problema – jie įvyksta labai nedidelėje dalyje žvaigždinių sistemų. Padarius prielaidą, kad tų sistemų ekliptikos plokštumos yra išdėstytos visiškai atsitiktinai, tikimybė, kad planeta užtemdys savo žvaigždę, žiūrint iš Žemės, yra p ≈ DŽ/πa. Šioje formulėje DŽ yra žvaigždės diametras, o a – planetos nuotolis nuo tos žvaigždės. Santykis DŽ/a yra kampas, kuriuo iš planetos matoma žvaigždė, o kartu ir dvigubas didžiausias kampas tarp tiesės, išvestos iš žvaigždės į Žemę, ir tiesės, išvestos iš žvaigždės į planetą. Tas kampas apytikriai nurodo ribas, kiek gali būti “palinkusi” tos sistemos ekliptikos plokštuma, kad iš Žemės dar matytume užtemimus. Na o π yra radianų (čia toks į laipsnį panašus dalykas, kampų matavimo vienetas) kiekis ištiestiniame (180 laipsnių) kampe. Įstačius skaičius, atitinkančius mūsų Saulės sistemą ir Žemę, randame, kad tikimybė stebėti užtemimą yra 1.4/150π ≈ 0,3%. Kitaip tariant, labai nedaug. Tikslesnis skaičiavimas šią tikimybę gal kiek padidintų (daugumos žvaigždžių ekliptikos plokštumos turėtų apytikriai sutapti su galaktine), bet daugiausiai iki 1%. Trumpiau tariant, stebint užtemimus pavyktų aptikti geriausiu atveju kas šimtąją planetinę sistemą.

 

Kitas ganėtinai nesudėtingas planetų pastebėjimo metodas susijęs su spektrų pokyčiais. Kiekviena žvaigždė šviesą spinduliuoja ne visiškai tolygiai. Išskaidžius šią šviesą į spektrą, jame galima pamatyti įvairių cheminių elementų pėdsakų. Kiekvieno cheminio elemento atomuose esantys elektronai juda orbitalėse, turinčiose tam tikrus tikslius energijos kiekius (lygius). Šie lygiai yra skirtingi kiekvienam atomui, taigi žinant bent keletą tų lygių, galima nustatyti ir atomų pavadinimus bei kiekius. Energijos lygius nustatyti padeda tai, kad elektronai tuose atomuose gali peršokti iš vieno energijos lygio į kitą, išvis pabėgti iš atomo, arba laisvi elektronai gali būti pagauti. Tokie procesai sukuria fotonus (šviesos daleles), turinčius bangos ilgius, kurių energijos atitinka šokinėjančių elektronų energijos pokyčius. Būtent šių fotonų sankaupos tam tikruose bangos ilgiuose, bei jų trūkumai kituose, leidžia nustatyti, kokie cheminiai elementai sudaro stebimą kūną. Bet bangos ilgiai, matomi stebint žvaigždę, nėra tiksliai tokie, kokie būtų gaunami tokios pačios sandaros kūną tiriant laboratorijoje. Taip yra todėl, kad žvaigždės mūsų atžvilgiu juda. Jei žvaigždė juda link mūsų, jos spektras pasislenka šiek tiek į didesnių energijų zoną (vadinamasis “mėlynasis poslinkis”, nes mėlynos spalvos šviesa turi daugiau energijos, nei raudonos), jei ji nuo mūsų tolsta – spektras parausvėja (“raudonasis poslinkis”). Ši savybė vadinama Doplerio efektu. Tai yra tas pat efektas, dėl kurio prie mūsų artėjančio policijos automobilio sirenos triukšmas atrod aukštesnis, nei tolstančio.

 

Taigi, kuo tie policijos automobiliai susiję su egzoplanetomis? Ogi tuo, kad jei prie žvaigždės yra planeta, tos sistemos masės centras nebus tiksliai žvaigždės centre. Taigi žvaigždė, laikui bėgant, šiek tiek “vibruos” – kartais judės tolyn nuo mūsų, kartais artyn. Tad jei žvaigždės spektre matomi periodiniai pokyčiai tiek į raudonąją, tiek į mėlynąją puses, galima spėti, jog aplink ją sukasi planeta. Iš spektrinės informacijos galima nustatyti ir planetos masę, apsisukimo periodą bei sukimosi atstumą. Aišku, visa tai veikia tik tada, jei sistemos ekliptikos plokštuma nėra visiškai statmena mūsų žiūrėjimo krypčiai, nes jei ji tokia yra, žvaigždė nejudės artyn ar tolyn nuo mūsų, ir spektre informacijos apie planetą nesimatys.

 

Šiuo paskutiniu atveju kartais, jei planeta pakankamai didelė, galima pamatyti, kaip žvaigždė juda kairėn-dešinėn (arba aukštyn-žemyn) kitų žvaigždžių fono atžvilgiu. Tokia informacija vėlgi yra pakankama, kad pavyktų nustatyti planetos sukimosi periodą, nuotolį ir masę.

 

Be šių, pagrindinių, metodų, yra keletas smulkesnių, naudojamų labai retai. Pavyzdžiui, mikrofokusavimas remiasi bendrosios reliatyvumo teorijos aprašytu reiškiniu, kad materija iškreipia aplinkinę erdvę. Fotonai, lekiantys pro planetą, šiek tiek užlinksta, dėl to už planetos esančios tolimos žvaigždės atrodo padidėjusios arba netgi pavirsta žiedais. Kartais, ypač netolimose planetinėse sistemose (iki kokių 50 šviesmečių), galima įžiūrėti ir pačią planetą, jei žvaigždės šviesa yra užblokuota pačios teleskopo įrangos. Spektrinė informacija kartais gali parodyti neva žvaigždėje esančių sunkių elementų, kurių ten būti neturėtų – tai irgi gali reikšti, kad šviesa ateina ne tik iš žvaigždės, bet kažkiek ir iš planetos.

 

Va šitaip mokslininkai jau kurį laiką ieško planetų prie kitų saulių. Kol kas didžioji dalis atrastų planetų greičiausiai yra Jupiterio dydžio ar didesnės, ir sukasi visai netoli savo žvaigždžių. Bet yra atrastos ir kelios Žemės tipo, uolingos planetos, kuriose galbūt ateityje pavyks aptikti ir skysto vandens…

 

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.