Potraga za planetima na drugim zvijezdama

 

Pitanje ima li planeta izvan Sunčevog sistema dugo je intrigirala znanstvenike, pisce znanstvene fantastike i pjesnike. No, kako možemo znati dali neki od tih planeta postoji ?

Koja je razlika između planeta i zvijezde ?

Zvijezde su velike svijetle lopte plina, koje pogone nuklearne reakcije u njihovim centrima. Enormno velike temperature i pritisci u jezgri zvijezde prisiljavaju atome vodika da se međusobno povezuju i postaju atomi helija, oslobađajući enormno velike količine energije u tom procesu. Planeti su mnogo manji, sa temperaturama jezgre i pritiscima koji su previše mali da bi došlo do nuklearne reakcije. I stoga ne emitiraju svjetlost. Kada vidite Veneru ili Jupiter na noćnom nebu, vi zapravo vidite Sunčevu svjetlost koja se reflektira od tih planeta.

Neki planeti poput Zemlje i Marsa su napravljeni od čvrstih stijena, no drugi, poput Jupitera i Saturna su uglavnom od plina i tekućine. Jupiter, najveći planet u našem Sunčevom sustavu je otprilike 300 puta masivniji od Zemlje, ali samo 1/1000 mase Sunca. Pa ipak, kada bi Jupiter imao 75 puta veću masu, bio bi dovoljno velik da pritisak i temperatura u njegovoj jezgri pokrenu nuklearnu fuziju, i tada bi imali dva Sunca na našem nebu.


Sl 1. Hubbleov teleskop može otkriti proto-planetarne diskove ali ne i planete.
Credit: NASA, Space Telescope Scientific Institute

 

Zašto mislimo da može biti planeta i na drugim zvijezdama ?

Smatramo da je naš Sunčev sustav našao kao prirodni nusprodukt formiranja Sunca. Otprilike prije 5 milijardi godina, velika amorfna nakupina (oblak) plina i prašine, tisuću puta veći od današnjeg Sunčevog sustava se je počeo sažimati. Točan razlog zašto je došlo do sažimanja nije jasan; jedna od ideja jest ta da je neka eksplozija obližnje zvijezde pogurala taj oblak. Jednom gurnut, oblak je kolapsirao i počeo se sažimati pod vlastitom težinom i većina plina i prašine su počeli padati prema centru i formirali Sunce. Ostatak materijala je pao u širok spljošten disk. Unutar diska, čestice prašine koje su kružile oko proto-Sunca su se počele sudarati jedna sa drugom. Mali komadići su se spojili, stvarajući veće komade, i na kraju formirati planete. Ovaj proces akumulacije materijala naziva se akcesija. Prema ovom scenariju, planeti su prirodni nusprodukt formiranja Sunca. Stoga astronomi smatraju da bi mnoge zvijezde poput Sunca trebale imati planete.


Sl 2. Šanse za formiranje planeta poput Zemlje su velike, dokle god se planet
nalazi u "životnoj" zoni zvijezde bez obzra kojoj vrsti ta zvijezda pripada.
Graphics: Tomislav Štimac

 

Zašto je tako teško vidjeti planete oko drugih zvijezda ?

Obzirom da su planeti mali, nalaze se dosta blizu svoje matične zvijezde i siju reflektirajući svjetlost, slabašno tinjanje planeta se gubi u blještavilu matične zvijezde. Zamislite da postavite zrno riže na udaljenost od 3 centimetra od 100 wattne sijalice. Netko tko bi stajao na kraju dugačkog tamnog hodnika bi samo vidio sijalicu, ali ne i zrno riže. Isto tako je kod planeta i zvijezda. Zamislite primjer Jupitera i Sunca. Jupiter je samo desetina veličine Sunca, i ima jednu stotinku površine Sunca. Viđen sa najbliže zvijezde, Alpha Centauri, veliki Jupiter bi sijao nezamislivo slabo, bilijunti dio sjaja Sunca. Jupiter bi također izgledao nezamislivo blizu Sunca, četiri lučne sekunde od Sunca. Stanovnik na Alpha Centauri sistemu, opremljen najjačim instrumentima i teleskopima, jednostavno nikako ne bi mogao vidjeti Jupiter u bljesku Sunca. A kako su sve druge zvijezde mnogo dalje nego Alpha Centauri, zaista postoje jako male šanse za fotografiranjem ili gledanjem pojedinih planeta oko drugih zvijezda.

 

Ako ih ne možemo vidjeti, kako možemo otkriti ako postoje planeti oko drugih zvijezda ?

Iako ne možemo vidjeti planet, možemo vidjeti efekt gravitacijskog "klimanja" kojim planet napreže zvijezdu. Kako se planet okreće oko zvijezde, povlači zvijezdu prvo na jednu stranu a zatim na drugu. Što je masivniji planet, to je njegov efekt na zvijezdu izraženiji. Kako se zvijezda kreće kroz svemir, tako se to "klimanje" planeta pokazuje kao malo odstupanje i devijacija u odnosu na zvjezdano pravocrtno gibanje. To se događa zbog toga što se zvijezda i planet gibaju oko centra mase između tog sistema zvijezda-planet, dakle točke gdje dolazi do međusobnog balansa koji na jednom kraju drži planet a na drugom zvijezdu. Primjerice, Sunce je tisuću puta masivnije od Jupitera, dakle centar mase sistema Sunce-Jupiter se nalazi vrlo blizu Suncu. Promatrač iz svemira koji bi mjerio pomak Sunca kroz svemir, ustanovio bi lagani "pomak" (klimanje) puta po kojemu se kreće Sunce. Pomak bi iznosio sa periodom 12 godina, identično vrijeme koliko Jupiteru treba da obiđe oko centra mase. Manji planeti poput Zemlje također izazivaju određeno narušavanje Sunčeve orbite, ali ona su tako mala da ih se mnogo teže može zamijetiti kroz međuzvjezdane udaljenosti. Analiza "pomaka" nam može dati informaciju o masi planeta, orbiti, periodu i udaljenosti od zvijezde.


Sl 3. Rotacija zvijezde i planeta oko zajedničkog centra mase.
Graphics: Tomislav Štimac

Ako radimo iznimno detaljna mjerenja pozicija zvijezda, točna na jednu stotinku lučne sekunde, možemo primijetiti pomake (klimanja) u njihovom kretanju, uslijed velikog nevidljivog pratioca. Trenutačne tehnike u astrometriji, grana astronomije koja se bavi pozicijama zvijezda, nam omogućavaju da otkrijemo planete veličine Jupitera oko obližnjih zvijezda.

 

Dali su neki planeti otkriveni uz pomoć metode zvjezdanog pomaka ?

Do sada je otkriveno nekoliko takvih planeta. Ovo područje astronomije je upravo u punom zamahu i rezultate praktički dobivamo "svaki dan". Za najsvježije informacije svakako bi trebalo pogledati na internetu jer i dok se napiše ovaj tekst, vjerojatno će još neki planet biti otkriven. No valja imati na umu da su astrometrička promatranja jako teška budući da su ti pomaci (klimanja) jako mali, otprilike jedna tisućinka veličine slike zvijezde na astronomskoj fotografiji. Jedan problem je da su greške koje se javljaju kod takvih promatranja upravo iste veličine kao i ti pomaci koje astronomi traže. Stoga je jako teško sa sigurnošću reći dali je nešto planet ili samo pogreška mjerenja.

 


Sl 4. Pogled sa satelita na divoski planet
Gotovo svi otkriveni planeti do sada su divovi sa masama od 0,4 do čak 55 Jupiterovih masa !
Graphics: Tomislav Štimac

 

Slučaj Barnardove zvijezde

Barnardova zvijezda je mala, tamna crvena zvijezda, otprilike dvije desetine mase Sunca. Udaljena je šest svjetlosnih godina (četvrta najbliža zvijezda suncu) i ima najbrži kutni pomak na nebu u odnosu na ostale zvijezde. Godine 1963, Peter van de Kamp, tada ravnatelj opservatorija Swarthmore College, objavio je da po analizi pomicanja Barnardova zvijezda ima nevidljivog pratioca. Van de Kamp je procijenio da je taj pratioc 50% teži od Jupitera, previše malen da bi bio zvijezda. Šest godina kasnije, van de Kamp je napravio reviziju svoje analize i ustanovio da Barnardovu zvijezdu zapravo obilaze dva pratioca, jedan mase od 0.7 Jupiterovih i drugi od pola Jupiterove mase. Činilo se kao da je pronađen prvi stvarni planetarni sistem oko druge zvijezde.

No drugi astronomi, koristeći druge teleskope nisu pronašli niti jedan dokaz o narušavanjima koja je objavio van de Kamp, kada su proučavali kretanje Barnardove zvijezde. Kritike su se javile po pitanju njegovih procedura i krivile ga da nije pravilno ispravio male promjene u svom teleskopu tokom vremena, pogotovo kada su se leće očistile i ponovo montirale. Do danas, nitko nije uspio ponoviti njegove rezultate. Van de Kamp je još uvijek uvjeren kako ta narušavanja koja je on otkrio proizlaze od dva planeta. No većina astronoma to drži upitnim.

 


Sl 5. Otkriven planet "51 Peg I": Simulacija pogleda na planet koji kruži oko zvijezde na udaljenosti od 1/6 na
kojoj kruži Merkur oko Sunca. Još je zanimljivije da se radi o divovskom planetu, za koje smo
smatrali da se nalaze samo u vanjskim dijelovima sustava (kao u našem Sunćevom sustavu)
Graphics: Tomislav Štimac

 

Postoje li druge metode za otkrivanje planeta ?

Gravitacijsko povlačenje planeta u odnosu na zvijezdu se također može vidjeti po mjerenjima zvjezdane radijalne brzine, njeno pomicanje u odnosu prema ili od nas duž linije pogleda od Zemlje do zvijezde. Kako zvijezda orbitira oko centra mase tog sistema, ona se naizmjence pomiče prema ili od nas. Obilježja u spektrumu boja te zvijezde su malo pomaknuta Dopplerovim pomakom prema plavom dijelu spektra kada se zvijezda približava, odnosno prema crvenom dijelu kada se zvijezda udaljava. To je isti princip po kojemu se zvuk policijske sirene povisuje kada auto ide prema nama i zatim spušta kada se auto udaljava. Kako je zvijezda mnogo masivnija od planeta, veličina Dopplerovog pomaka je jako mala i zahtijeva veoma sofisticirane instrumente da se mjeri.


Sl 6. Otkrivanje planeta uz pomoć Dopplerovog pomaka na zvijezdi.
Graphics: Tomislav Štimac

Bruce Campbell iz opservatorija Dominion u Victoriji, Britanskoj Kolumbiji je proučavao nekoliko obližnjih zvijezda, tražeći male pomake u radijalnoj brzini. Otprilike polovica ih pokazuje varijacije u brzini indicirajući moguće pratioce veličine planeta od jedne do deset Jupiterovih masa. No varijacije u zvijezdi, poput pulsiranja bi također mogle uzrokovati male promjene radijalne brzine poput ovih promatranih. Ako su ta pulsiranja periodična, onda ih se jako može zamijeniti sa planetarnim pratiocima. Postoje tehnike kojima se može razdvojiti planete od pulsiranja, ali oni zahtijevaju godine mukotrpnog proučavanja i analize. Ipak, ova promatranja ostaju kao obećavajući kandidati za izvansunčane (ekstrasolarne) planetarne sisteme.

 

Možemo li vidjeti velike diskove plina i prašine oko drugih zvijezda koji formiraju planete ?

Godine 1983. infra crveni astronomski satelit (IRAS) je pregledavao nebo, mjereći temperaturu koju predaju astronomski objekti. Među mnogim otkrićima je bilo i to da je nekoliko bliskih zvijezda, uključujući svijetle zvijezde Vegu i Fomalhaut, bilo okruženo diskovima čestica koje kruže. Većina diskova se proteže do nekoliko stotina astronomskih jedinca (A.U.) od njihovih matičnih zvijezda (1 A.U. = udaljenost Zemlje do Sunca, tj. 150 milijuna kilometra). U slučaju Vege (najsvjetlija zvijezda u zviježđu Lyra) disk se proteže 7.4 milijardi kilometara od zvijezde, ili otprilike dvostruko dalje od udaljenosti od Sunca do Plutona, našeg najdaljeg planeta. Astronomi pretpostavljaju da su diskovi ostaci formiranja zvijezde, i vjerojatno rane faze formiranja planetarnog sustava.


Sl 7. Protoplanetarni diskovi u Orionu
Credit: J. Bally (U. Colorado), H. Throop (SwRI), C.R. O'Dell (Vanderbilt U.), NASA

Astronomi su također pronašli diskove materijala oko vrste jako mladih zvijezda zvanih T Tauri zvijezde (prozvane po prototipu zvijezde u zviježđu Taurus). Diskovi materijala izgleda da su uobičajena pojava kod mnogih mladih zvijezda. Ali to nisu planetarni sistemi. Nema načina da točno kažemo dali su planeti prisutni unutar diskova, dali će diskovi jednog dana formirati planete ili će ti diskovi tamo biti za stalno. Ali oni nam pokazuju da se čvrsta materija može pojaviti u obliku diska, veoma sličnoj onoj za kakvu se misli da je stvorila Sunčev Sustav.

 

Što je sa nedavnim otkrićima planeta oko pulsara ?

Pulsari su kompaktne, jako guste, brzo rotirajuće zvijezde sa jakim magnetskim poljem, za koje se smatra da su nastali kao ostatak eksplozije supernove. Kako se pulsar okreće nekoliko puta oko svoje osi u sekundi, snažan puls energije projuri pored Zemlje, nešto poput rotirajućeg signala iz međuzvjezdanog svjetionika. Ti pulsevi su normalno vrlo pravilni, ali otkrivene se neke nepravilnosti. Primjerice Britanski astronom Andrew Lyne i kolege, otkrili su da radio pulsevi sa jednog pulsara imaju čudne varijacije. Prvo, signali bi stigli stotinku sekunde ranije nego inače. Tri mjeseca kasnije, kasnili su stotinku sekunde. Nakon tri mjeseca opet su uranili i tako dalje. Lyne je smatrao da su radio pulsevi varijacije uslijed Dopplerovog pomaka, kako se je pulsar "vukao" za nevidljivim pratiocem, sa otprilike deset puta većom masom od Zemljine, i kružio oko centra mase.


Sl 8. Radio teleskopi: jedno od rješenja za otkrivanje planeta oko zvijezda.
Photo: Philip Greenspun

Par mjeseci kasnije, Alexander Wolszczan sa Arecibo radio opservatorija u Puerto Ricou i Dale Frail, sa National Radio Astronomy opservatorija, su objavili neregularne varijacije u radio pulsovima sa jednog drugog pulsara. Oni su zaključili da bi taj pulsar mogao imati dva pratioca, svaki mase kao 3 Zemljine. Oni su također objavili pretpostavku za postojanjem trećeg planeta, otprilike veličine Zemlje.

No u Siječnju 1992, Lyne je objavio da njegov tim nije pravilno maknuo učinke Zemljinog gibanja oko Sunca iz njihove analize i kada su kalkulacije ponovljene pravilno, razlika u pulsu je nestala. Nije bilo nikakvog planeta. Varijacije koje su pak pronašli Wolszczan i Frail su previše kompleksne da bi bile izazvane Zemljinim pomakom.

Potrage za planetima van Sunčevog sustava su teške, ometane izuzetno velikim udaljenostima između zvijezda i neizbježnom slaboćom objekta koji tražimo. Percival Lowell, astronom iz 19-tog stoljeća koji je vidio klimatske promjene a površini Marsa i bio uvjeren da vidi dokaz umiruće civilizacije (koje se je kasnije pokazalo krivim), jednom je rekao: "Kada u pitanje dođu znanstvena pitanja 'dalekih udaljenosti', teško je razdvojiti nečiju nauku sa nečijom maštom".

 

Autor teksta:
Andrew Fraknoi
Astronomical Society of the Pacific

[Povratak na Svemir u UČIONICI]