czwartek, 9 lipca 2015

McGoris #6 - Egzoplanety - czyli planety w innych układach gwiezdnych.

Czy wiecie, że nie tylko nasza gwiazda (Słońce) może mieć planety. Większość gwiazd, które widzimy na niebie może posiadać swój układ planetarny. Jakie planety odkryliśmy i co o nich wiemy i jak je odkryto?

Źródło: odkrywcy.pl


1. O egzoplanetach.


Planety spoza naszego Układu Słonecznego nazywamy egzoplanetami. Odkrycie ich nie jest takie proste jakie nam się wydaje. W naszym Układzie Słonecznym są dwa typy planet: skaliste i gazowe. Skaliste w porównaniu do gazowych olbrzymów są bardzo małe. Skaliste to 4 pierwsze planety: Merkury, Wenus, Ziemia, Mars. Gazowe natomiast są dalej, czyli Jowisz, Saturn, Uran, Neptun.
Jeśli chodzi o egzoplanety to natykamy się na wiele problemów:

-Do gwiazd jest bardzo daleko, odległości liczą sobie lata świetlne.
-Nie możemy dostrzec tarczy gwiazdy, mimo średnic od kilku do kilkuset milionów kilometrów, widzimy je nadal jako punkty światła.
-Jeśli chodzi o planety to problem jest taki, że nie świecą własnym światłem, tylko odbitym od swojej rodzimej gwiazdy, co utrudnia ich obserwacje.
-Orbity tych planet względem nas występują pod różnymi, możliwymi kątami.
-Planety to obiekty dość ogromne, ale są prawie niczym w porównaniu do np. gwiazd.


Artystyczne wyobrażenie różnych nachyleń orbit.

2. Metody wykrywania egzoplanet.

2.1 Metoda tranzytowa

Jedna z najpopularniejszych i najprostszych metod wykrywania egzoplanet to właśnie metoda tranzytowa. Jak wspomniałem wcześniej układy planetarne względem nas mogą występować pod wieloma różnymi kątami. Jednak trafiają się takie układy, że orbity planet ustawione są do nas krawędzią.
Samo określenie tranzyt opisuje zjawisko, gdy dane ciało względem nas znajdzie się na tle drugiego.
Zjawisko można na przykład zaobserwować gdy np. Wenus przejdzie na tle tarczy Słonecznej lub księżyce Jowisza(Io, Ganimedes, Kalisto, Europa) przejdą przez tarczę planety.


Tranzyt Wenus na tle tarczy słonecznej.


W przypadku egzoplanet - gdy orbity są ustawione do nas kantem, co każdy okres okrążenia planety dookoła swojej gwiazdy, względem nas, przez jakis czas planeta przechodzi na tle gwiazdy, co powoduje bardzo delikatny spadek jasności gwiazdy.


  
Układy planetarne ustawione względem nas krawędzią nie zdarzają się niestety dość często. Obserwacje i potwierdzenie istnienia planety trwa bardzo długo, zwłaszcza jeżeli planeta jest daleko oddalona od gwiazdy i rok trwa tam ok. kilka ziemskich lat.


2.2 Astrometria

Metoda ta polega na tym, że gdy jakaś dość masywna planeta(najczęściej gazowy olbrzym) krąży wokół gwiazdy, to ta gwiazda zatacza lekką orbitę. Dlatego tak się dzieje, że 2 ciała krążą wokół środka swojej masy.
W przypadku naszego Układu Słonecznego też tak się dzieje, lecz stosunek masy planet do masy gwiazdy są tak małe, że środek masy znajduje się co najwyżej niedaleko jądra Słońca.



Mierzy się pozycję gwiazdy wraz z upływem czasu. Obserwacje astrometryczne najbardziej efektywne są gdy planeta jest dość sporo oddalona od gwiazdy i gdy planeta jest dość masywna, z tym żeby zaobserwować cały cykl, trzeba czekać lata, a nawet dekady.
Mimo, że jest bardzo pomocna w poszukiwaniu planet, to jednak ma na koncie tylko jedną odkrytą egzoplanetę tą metodą - HD 176051 b w układzie oddalonym o 49 lat świetlnych w konstelacji Lutni.

2.3 Prędkości radialne

Jak napisałem wcześniej, gdy dookoła gwiazdy znajduje się planeta, to zmusza gwiazdę do krążenia wokół środka masy. Taka sytuacja zmienia też prędkość gwiazdy względem nas, raz się zbliżając, raz się oddalając. Zmiany prędkości mogą być zaobserwowane poprzez obserwacje widma gwiazdy, które w skutek oddalania/przybliżania się gwiazdy, powoduje przesunięcie ku czerwieni(oddalania się)/fioletowi(przybliżania się). Spowodowane jest to efektem Dopplera opisanym w poprzednim poście #5.
Za pomocą tej metody można odnaleźć dość spore i masywne planety które krążą bardzo blisko swojej gwiazdy. Wykrycie planet o większych orbitach wymaga znacznie dłuższych obserwacji.

Na obrazku mamy przedstawione przesunięcie ku fioletowi i ku czerwieni.

2.4 Mikrosoczewkowanie grawitacyjne

Metoda ta polega na tym, że gdy dwie gwiazdy - gwiazda soczewkująca i gwiazda bardziej oddalona(źródło światła), staną w jednej linii.
Gdy dookoła gwiazdy soczewkującej krąży planeta, z powodu mikrosoczewkowania grawitacyjnego(spowodowane masą obiektu) można zaobserwować krótki, delikatny wzrost jasności.
Mikrosoczewkowanie grawitacyjne jest niestety jednorazowym wydarzeniem, co jest główną wadą tej metody. Zaletą jest możliwość wykrywania egzoplanet o mniejszym rozmiarze.


2.5 "Timing"

Metoda ta dotyczy głównie gwiazd neutronowych(np. pulsarów) oraz układów wielokrotnych gwiazd.
W przypadku pulsarów podczas szybkich obrotów emitują one sygnały radiowe. Gdy dookoła takiego pulsara krąży planeta, fala radiowa ulega zmianie częstotliwości. Obserwacja zmian częstotliwości zmian może dostarczyć nam o parametrach orbity planety.  
Zaletą tej metody jest możliwość wykrywania bardzo niewielkich obiektów. 
Wadą jest rzadkość występowania pulsarów.

Artystyczna wizja widoku planety PSR B1257+12 b
W przypadku układów wielokrotnych gwiazd nieraz jest tak, że są tak ustawione, że możemy zaobserwować ich wzajemne zaćmienia. Podobnie jak częstotliwość emisji radiowych pulsarów, zaćmienia te powinny być bardzo regularne. Jeżeli częstotliwość tych zaćmień się zmienia, może dowodzić istnienia planety. Metoda ta jest najskuteczniejsza kiedy gwiazdy znajdują się blisko siebie.

2.6 Obrazowanie

Metoda ta jest po prostu bezpośrednim sfotografowaniem obiektów. Jest to jednak bardzo trudne zadanie, ze względu, że planety bardzo słabo świecą, bo odbitym światłem od gwiazd, nie własnym.
Żeby sfotografowanie było możliwe, muszą być spełnione warunki:

1. Gwiazda musi być zakryta,
2. Planety muszą być sporo oddalone od gwiazdy, mieć duże orbity, 
3. Planety powinny być spore i masywne oraz mieć duże albedo(zdolność odbijania światła).

Z biegiem lat i rozwojem astronomii i optyki będą możliwe obserwacje coraz to mniejszych i dalszych obiektów.

Zdjęcie gwiazdy Fomalhaut(najjaśniejsza gwiazda konstelacji Ryby Południowej) i planety krążącej dookoła niej Fomalhaut b. wykonane przez teleskop Hubble'a

3. Jaka była pierwsza odkryta egzoplaneta? Jak wyglądały początki ich odkryć.

Astronomowie bardzo długo nie potrafili potwierdzić istnienia tych odległych "światów", ze względu na brak odpowiedniego sprzętu i dostatecznie potwierdzonych badań.



Pierwsze naukowe doniesienia o odkryciu planet pozasłonecznych pojawiły się jeszcze w XIX wieku.
Jednym z najwcześniejszych było doniesienie W. Jacoba z obserwatorium w Madrasie w 1855 r., który stwierdził, że w układzie gwiazdy podwójnej 70 Ophiuchi w gwiazdozbiorze Wężownika, występują anomalie sugerujące, że istnienie „ciała planetarnego” w układzie jest wysoce prawdopodobne.
Doniesienie wsparły obserwacje Thomasa J.J. See z Uniwersytetu w Chicago, który w roku ok. 1890 roku stwierdził, że anomalie dowodzą istnienia ciemnego ciała krążącego wokół jednej z gwiazd
i jego okres orbitalny wynosił 36 lat.
Potem jednak stwierdzono, że układ trzech ciał o takich parametrach byłby niestabilny.

W latach 50-60 XX wieku, amerykański astronom Peter van de Kamp dowodził na podstawie metody astrometrii, że wokół niedalekiej gwiazdy Barnarda (ok. 5,94 roku świetlnego od nas) krążą planety. Obecnie wszystkie te wczesne doniesienia uważa się za błędne.

3.1 Pierwsze potwierdzone odkrycia.

Pierwszej udanej detekcji planety pozasłonecznej dokonano w 1988 roku,krążącej wokół gwiazdy gamma Cephei, zwana również Errai. - gwiazda jest widoczna gołym okiem w gwiazdozbiorze Cefeusza. Planetę Gamma Cephei b odkryto dzięki zastosowaniu metod dopplerowskich(czyli przesunięcia ku czerwieni/fioletowi) i odkryli ją kanadyjscy astronomowie B. Campbell, G. Walker i S. Yang, jednak ich odkrycie doczekało się ostatecznego potwierdzenia dopiero w 2002 roku.
Planeta ma okres orbitalny ok. 903,3 ziemskich dni, czyli ok. 2.5 roku ziemskiego, a masę tej planety szacuje się na ok. 1,8 mas Jowisza i krąży gdzieś w odległości ok. 310 mln km, czyli trochę dalej, jak Mars od Słońca. Czyli najprawdopodobniej jest to gazowy olbrzym dużo większy od naszego Jowisza.

Niedaleko potem odkryto tego typu ciała w bardzo nietypowym miejscu. Krążyła dookoła pulsara(gwiazdy neutronowej powstałej po wybuchu supernowej). 21 kwietnia 1992 roku polski, uwaga: polski radioastronom Aleksander Wolszczan oraz amerykański radioastronom Dale Frail opublikowali pracę, w której donosili o odkryciu trzech planet pozasłonecznych, znajdujących się w układzie planetarnym pulsara PSR 1257+12.
Takie ciała są możliwe do wykrycia poprzez analizę bardzo regularnych impulsów radiowych. Zmiany w impulsach może powodować na przykład ruch pulsara wokół środka masy spowodowany obieganiem go przez planety. Jest to tzw. metoda timingu opisana wyżej.


 
Pierwszą planetę pozasłoneczną, która krążyła dookoła zwykłej gwiazdy ciągu głównego(coś typu nasze Słońce, czyli gwiazda, która spala wodór) odkryto w 1995 roku przez uczonych z Uniwersytetu w Genewie -  Michel'a Mayor'a i Didier'a Queloz'a dzięki obserwacji widma gwiazdy 51 Pegasi, leżącej w gwiazdozbiorze Pegaza.
Odkryty układ bardzo się różnił od naszego Układu Słonecznego. Planeta 51 Pegasi b okazała się być gazową planetą wielkości Jowisza (masa: 0,47 masy Jowisza), która krąży niesamowicie blisko swojej gwiazdy, na odległość zaledwie 0,05 j.a od gwiazdy(ok. 3 000 000 km). Jest to odległość 30 x mniejsza niż odległość Ziemi od Słońca. Temperatura musi być tam ogromna.

Artystyczna wizja planety 51 Pegasi b
Tego typu planety nazywa się "gorącymi jowiszami".

4. Jakie odkrywane są planety pozasłoneczne?

4.1 Gazowe/lodowe olbrzymy.

Te planety są najłatwiejsze do odnalezienia, ze względu na swój rozmiar i duże albedo - czyli bardzo dużo odbijają światło od swojej gwiazdy oraz dzięki swojej masie, która może powodować ruchy gwiazd względem nas (astrometria, prędkości radialne). Także dość często są odkrywane planety podobne do naszego Urana czy Neptuna, które są też nazywane lodowymi olbrzymami. Można zaobserwować układy różniące się od naszego Układu Słonecznego. W naszym układzie gazowe olbrzymy są na końcu układu, a w odkrywanych układach są zazwyczaj na pierwszym miejscu, a nawet bardzo blisko swojej gwiazdy, tzw. gorące jowisze.

Planeta HD 209458 b zaliczana do gorących jowiszy - wizja artysty.

4.2 Planety podobne do Ziemi.

Te planety są najbardziej pożądane dla odkrywców, gdyż są potencjalnymi miejscami życia poza naszą planetą. Żeby odkryta planeta była uznana za planetę zbliżoną do Ziemi, musi spełnić kilka warunków:

-Planeta musi się znajdować w tzw. ekosferze - czyli jest to taka odległość od gwiazdy, która pozwala na temperaturę taką, żeby utrzymać wodę w stanie ciekłym. W zależności od typu widmowego(o typach widmowych w poście #4) gwiazdy i jej wielkości, odległości te są różne.

Im gwiazda jest gorętsza/większa, tym ekosfera znajduje się dalej od gwiazdy.
- Planeta powinna posiadać atmosferę. Skąd się wie, że planeta ma atmosferę? Oczywiście po zmianach jasności. gdy planeta zaczyna tranzytować, pierwsze przechodzi atmosfera, spadek jasności jest mniejszy. Poniżej przedstawie wykres jasności, gdy taka planeta przechodzi przez tarczę gwiazdy. Spadek jasności gwiazdy, zostanie inaczej zmieniony przez atmosferę amoniakową, inaczej przez azotową, inaczej przez tlenową. Żeby zbadać charakterystykę gwiazdy potrzebujemy bardzo czułej apertury.


W ten sposób można także sprawdzić nawet czy planeta posiada pierścienie (takie jak np. Saturn).


Odkrywa się także planety znacznie bardziej masywne i większe od Ziemi, tzw. superziemie. Definicja dotyczy tylko typu planety - skalista i masy większej od masy Ziemi. Niekoniecznie oznacza to odpowiednie warunki do życia.
Gdyby taka potencjalna planeta miała np. bardzo grubą atmosferę i panował by ogromny efekt cieplarniany (coś typu nasza Wenus) to wtedy możemy mieć doczynienia z tzw. superwenus.

Artystyczne przedstawienie planety OGLE-2005-BLG-390L b, która jest przykładem superziemi krążącej po odległej orbicie.


4.3 Najciekawsze,najdziwniejsze planety pozasłoneczne.


J1407 b

Wspomniałem wcześniej o możliwości detekcji pierścieni egzoplanety. Niesamowitą i ciekawą planetą jest J1407 b, leżąca 420 lat świetlnych od ziemi. Jest to istna konkurencja dla naszego Saturna. Krąży ona dookoła gwiazdy podobnej do naszego Słońca. Dzięki obserwacji zmian jasności i sporządzeniu wykresu, najprawdopodobniej ta planeta ma bardzo zaawansowany system pierścieni.

Artystyczna wizja planety J1407 b

WASP-12b

Wspomniałem wcześniej o gorących jowiszach. Ta planeta jest wyjątkowo "gorącym jowiszem". Ta planeta krąży tak blisko swojej gwiazdy, że jest dosłownie przez nią spalana (temp. ok. 2200 C) i rozrywana siłami pływowymi. Okrążenie jej wokół gwiazdy trwa jeden dzień i jest oddalona o 1200 lat świetlnych od Ziemi.

Artystyczna wizja planety WASP-12b

ε Eridani b (epsilon Eridani b)

Dlaczego ta planeta jest wyjątkowa? Ponieważ jest to jedna z najbliższych odkrytych do tej pory egzoplanet. Do tej planety odkrytej w 2000 roku dzieli nas tylko 10 lat świetlnych. Krąży ona wokół gwiazdy Epsilon Eridani, widocznej gołym okiem jako słaba gwiazdka w konstelacji Erydanu. Gwiazdozbiór Erydanu można znaleźć na zachód od Oriona. Planeta najprawdopodobniej jest gazowym olbrzymem takim jak Jowisz.



Kepler-64b

Oglądaliście Gwiezdne Wojny? Jeżeli tak, to na pewno kojarzycie scenę, gdy Luke Skywalker spogląda na zachód dwóch słońc na planecie Tatooine.

Na Kepler-64 b hipotetyczni mieszkańcy obserwowali by nie dwa, a cztery słońca. Planeta okrąża gwiazdę podwójną Kepler-64, która jest powiązana grawitacyjnie z drugim układem podwójnym znajdującym się w odległości około 1000 j.a.

Układ wielokrotny Keplera 64-b - wizja artysty



PSR J1719-1438b

Planeta krąży wokół gwiazdy neutronowej - pulsara. Planetę odkryto w 2011 roku i krąży w bardzo ciasnej i szybkiej orbicie. Odległa jest o 4000 lat świetlnych od Ziemi, jest 4x większa od Ziemi i posiada masę 330 mas Ziemi. Analizy planety ukazały że składa się wyłącznie z węgla, a to oznacza, że przy tej masie, ten węgiel musiał się przekształcić w gęstą strukturę krystaliczną. Najprawdopodobniej ta planeta jest wielkim, 4 razy większym od Ziemi...... diamentem.

Ciekawe jest to, że znając masę planety można obliczyć ilość karatów. Masa planety to ok. 5,9736×1024 kg, czyli 1 971 288 000 000 000 000 000 000 000 kg - niecałe 2 kwadryliardy kg.



1 kg to 5000 karatów. Mnożymy:

1 971 288 000 000 000 000 000 000 000 x 5000 = 9 856 440 000 000 000 000 000 000 000 000

Planeta jest zrobiona z diamentu o masie ok. 10 kwintylionów karatów.

Kiedy pomyślicie o np. prezencie dla swojej żony, pierścionku, to pomyślcie, że gdzieś tam, 4000 lat świetlnych, krąży sobie gigantyczny, 10 kwintylionowo karatowy diament, najprawdopodobnie niczyj.


GJ1214b

Ta planeta jest idealną kandydatką na planetę "wodną". Planeta położona ok. 40 lat świetlnych od nas jest najprawdopodobniej jednym wielkim oceanem, 2,5 raza większym od Ziemi, nie posiadającym charakterystycznego dna. Dno tej planety może być albo coś typu gorącego lodu (pod wpływem ogromnego ciśnienia blisko jądra), bądź mieć malutkie skaliste jądro. Atmosfera tej planety posiada grubą warstwę pary wodnej.
Jeśli chodzi o życie na tej planecie to wątpię, ponieważ może tam być niedobór ważnych pierwiastków czy związków chemicznych.



Kepler-452b

O tej planecie było dość głośno, gdyż odkryta całkiem niedawno, bo w tym roku (gdy to piszę: 2015r) przez teleskop Keplera. Jest to planeta potencjalnie zdatna do życia i jest podobna do Ziemi. Dlaczego wokół niej taki huk? Krąży ona wokół gwiazdy typu widmowego G, czyli takiego jakie jest nasze Słońce i znajduje się w ekosferze.

Rok trwa tam 385 dni i jest w odległości o 5% większej niż Ziemia od Słońca. Jest ona o 60% większa od naszej Ziemi i 5x masywniejsza od niej i jest uznawana nawet za superziemię. Na tej planecie panuje 2 razy większe ciążenie niż na Ziemi. Czyli jeżeli przypuśćmy ktoś waży 70 kg, to na tamtej planecie będzie ważył 140 kg. Czyli wiemy, że amerykanie raczej tam nie polecą :D.



Planeta znajduje się 1400 lat świetlnych od nas i jest całkiem daleko. Z prędkością sondy New Horizons (ok. 59,000 km/h) dolecielibyśmy tam za 26 milionów lat.

Artystyczna wizja planety Kepler-452b



GJ 504b

Egzoplaneta jest prawdopodobnie koloru różowego. Planeta jest oddalona o 57 lat świetlnych i jest wielkości Jowisza. Znajduje się w odległości ok. 6,5 miliarda kilometrów od swojej gwiazdy, co jest dystansem ok. 43 razy większym niż odległość między Słońcem a Ziemią.


Artstyczna wizja planety GJ 504b

Alfa Centauri Bb

W najbliższym nam układzie gwiezdnym (4.3 lata świetlne) także odkryto egzoplanetę. Odkryto ją w 2012 r. i najprawdopodobniej jest typu skalistego. Planeta orbituje wokół gwiazdy alfa Centauri B, podobnej do Słońca pod względem typu widmowego.

Planeta została wykryta metodą dopplerowską, czyli za pomocą prędkości radialnych (przesunięcie ku czerwieni/fioletowi).
Do tej planety są jednak lekkie wątpliwości. Planeta wywiera tak mały wpływ grawitacyjny na gwiazdę, że niektórzy naukowcy wątpią w istnienie planety.

Jej masa wynosi 1,13 masy Ziemi, co wskazuje, że jest najprawdopodobniej planetą typu ziemskiego. Więc kto wie? Jeżeli się potwierdzi jej istnienie (planowane jest wykrycie jej metodą tranzytową za pomocą teleskopu Hubble'a) to kto wie, może istnieje tam życie. Tylko że jej okres orbitalny wynosi 3,2 dni. Planeta jest położona zbyt blisko gwiazdy, aby na jej powierzchni mogła istnieć ciekła woda i mogło powstać życie podobne do ziemskiego.

Artystyczna wizja układu Alpha Cen

PSO J318.5-22

Czy może istnieć sama planeta bez swojej rodzimej gwiazdy? Otóż tak. Takim obiektem jest PSO J318.5-22. Znajduje się 80 lat świetlnych w gwiazdozbiorze Koziorożca. Masa obiektu wynosi około sześciu mas Jowisza. Przez odkrywców został sklasyfikowany jako samotna planeta, ale według definicji naukowców może to być całkowity niewypał gwiazdy - brązowy podkarzeł.


Planeta odkryta przez teleskop Pan-STARRS 1 na Hawajach.





5. Teleskop Keplera

Teleskop wypuszczony na orbitę przez NASA w celu wykrywania planet pozasłonecznych podobnych do Ziemi. Nazwa pochodzi od nazwiska XVI-wiecznego astronoma Jana Keplera – odkrywcę trzech praw ruchu planet wokół Słońca.

Teleskop Kepler

Został umieszczony na orbicie w marcu 2009 roku. Ma lustro o średnicy ok. 0,95m i posiada najwiekszą matrycę CCD, jaką wyniesiono w kosmos - posiada 95 megapikseli. Głównym celem misji jest określenie częstotliwości występowania układów planetarnych w kosmosie i różnorodności ich struktur. Teleskop monitoruje ogromne ilości gwiazd i wykrywa planety metodą tranzytową. Teleskop jest wycelowany w konstelację Łabędzia, gdzie przechodzi Droga Mleczna.


Na marzec 2014 roku misja Keplera, zidentyfikowała ponad 2,900 kandydatek na planety. Trzeba także dodać egzoplanety odkryte inną metodą.


Jak wam się spodobało -> Udostępniajcie, lajkujcie, w komentarzach zadawajcie pytania, na które postaram się odpowiedzieć.

Prosiłbym o wyłączenie Adblocka, bądź dodanie bloga do wyjątków. 

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz