Samotna planeta bez gwiazdy! Polacy potwierdzają odkrycie

To pierwsza w pełni udokumentowana detekcja zupełnie nowej kategorii planet pozasłonecznych - niezwykle licznej i niepoznanej dotąd grupy obiektów planetarnych, której badania są niezbędne do pełnego zrozumienia powstawania i ewolucji pozasłonecznych układów planetarnych - informuje Obserwatorium Astronomiczne (OA) Uniwersytetu Warszawskiego.

„To „odkrycie dekady”, porównywalne z odkryciem pierwszych udokumentowanych planet pozasłonecznych w latach 90. ubiegłego wieku. Astronomowie wreszcie mają pewność, iż tego typu obiekty istnieją we Wszechświecie” – komentuje prof. Andrzej Udalski, lider projektu OGLE, prowadzonego przez OA UW.

Zdecydowana większość planet, które znamy, krąży wokół gwiazd. Astronomowie zdają sobie sprawę, że na skutek różnych procesów, np. oddziaływań grawitacyjnych, planety mogą zostać wyrzucone ze swoich układów w przestrzeń międzygwiazdową. Takie samotne planety nazywa się planetami swobodnymi. Po prostu podróżują przez Drogę Mleczną bez towarzystwa gwiazdy.

Jak jednak znaleźć takie obiekty? Nie będą tu skuteczne techniki znane z odkrywania planet w układach planetarnych wokół gwiazdy, np. metoda tranzytów (poszukiwanie regularnych osłabień blasku gwiazdy na skutek przechodzenia przed nią planety) czy prędkości radialnych (spektroskopowe pomiary ruchu gwiazdy spowodowane oddziaływaniem grawitacyjnym planety).

Z pomocą przychodzi technika nazywana mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. Zachodzi ono, gdy światło odległej gwiazdy zostaje ugięte i wzmocnione przez jakiś obiekt (zwany soczewką), przechodzący w pobliżu linii, wzdłuż której obserwujemy odległą gwiazdę. Technika może służyć również do wykrywania obiektów, które nie emitują światła, albo takich, których jasność jest bardzo słaba. Można z jej pomocą wykrywać planety swobodne. Czas trwania zjawiska mikrosoczewkowania jest bardzo krótki dla mas planetarnych: od kilku do kilkunastu godzin.

Ogólnie do tej pory odkryto kilkanaście kandydatek na planety swobodne. Astronomowie nazywają je kandydatkami, gdyż nie mają pewności co do mas tych obiektów. Mogą to bowiem być też przykładowo brązowe karły, czyli kategoria ciał pomiędzy planetami, a gwiazdami.

Aby w metodzie mikrosoczewkowania precyzyjnie wyznaczyć masę soczewki, trzeba znać odległość soczewki od obserwatora. Naukowcy dokonali tego, zestawiając dane z kilku teleskopów.

Krótkotrwałe zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego dla jasnej gwiazdy w centrum Galaktyki zostało początkowo zarejestrowane za pomocą teleskopów koreańskiej sieci KMTNet (obecnych w Australii, Południowej Afryce i Chile) oraz zlokalizowanego w Obserwatorium Las Campanas w Chile polskiego teleskopu projektu OGLE. Obserwację tę (z 3 maja 2024 r.) oznaczono KMT-2024-BLG-0792/OGLE-2024-BLG-0516.

Astronomowie szybko stwierdzili, że kształt zmian jasności w trakcie mikrosoczewkowania pasuje do przewidywanych zmian dla planety swobodnej. To zaś oznaczało kolejną kandydatkę na planetę swobodną.

Naukowcy wkrótce uświadomili sobie, że zbadany rejon nieba był w tym samym czasie obserwowany przez satelitę Gaia, należącego do Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Gaia w latach 2014-2025 regularnie mierzyła jasność dwóch miliardów gwiazd metodą fotometrii. Dany obszar nieba był obserwowany co 30 dni.

Badacze mieli dużo szczęścia: satelita obserwował właściwy rejon nieba we właściwym czasie. Dodatkowo, dzięki wyjątkowo korzystnemu ustawieniu orbity, zebrał aż sześć obserwacji fotometrycznych w ciągu 15 godzin, czyli w najważniejszych momentach największego wzmocnienia światła przez soczewkę.

W trakcie wspomnianych obserwacji satelita Gaia znajdował się w punkcie libracyjnym L2 układu Ziemia-Słońce, czyli blisko dwa miliony kilometrów od naszej planety. Jednoczesne obserwacje zjawiska mikrosoczewkowania KMT-2024-BLG-0792/OGLE-2024-BLG-0516 z Ziemi i satelity dały unikalną szansę na pomiar odległości do soczewki poprzez zmierzenie tzw. paralaksy mikrosoczewkowej.

Zasada jest tutaj analogiczna do pomiarów triangulacyjnych na Ziemi – dzięki obserwacjom z dwóch różnych miejsc można wyznaczyć odległość.

Dane z satelity Gaia trafiły na Ziemię w lipcu 2024 r. i wtedy zjawisko ogłoszono jako alert o nazwie Gaia24cdn. Analiza pokazała, że Gaia zarejestrowała zjawisko około dwie godziny później niż teleskopy naziemne. Na tej podstawie ustalono odległość do soczewki, a potem jej masę. Wynik to 0,22 masy Jowisza, czyli 70 mas Ziemi, albo porównując jeszcze inaczej: nieco mniej niż masa Saturna. Uzyskany rezultat to masa planetarna.

Na dodatek w promieniu 20 jednostek astronomicznych od planety nie wykryto żadnych oznak istnienia gwiazdy. Tym samym z bardzo dużym prawdopodobieństwem obiekt stał się pierwszą planetą swobodną, dla której dokładnie zmierzono masę.

Profesor Udalski tłumaczy w rozmowie z PAP, dlaczego to tak istotne. „Wyznaczenie bezpośrednim pomiarem masy planety jest ostatecznym dowodem, że mamy do czynienia z planetą, a nie obiektem cięższym, np. małomasywnym brązowym karłem, czy tworem powstającym podobnie, jak gwiazdy czy właśnie brązowe karły - z kolapsującego sferycznie obłoku gazowego, o masie kilku/kilkunastu mas Jowisza” - mówi naukowiec.

Dodaje, iż dzięki obserwacjom mikrosoczewkowym udało się znaleźć kilkanaście dobrych kandydatek na planety swobodne. Niestety we wszystkich tych przypadkach masa tych obiektów była tylko oszacowana statystycznie, bowiem bardzo rzadko techniką mikrosoczewkowania udaje się bezpośrednio wyznaczyć masę. Podkreśla, iż z reguły mamy degenerację masa-odległość obiektu soczewkującego.

„Ten unikalny przypadek, gdy tę degenerację udało się znieść – to nasze odkrycie. Teraz wiemy na pewno, ze planety swobodne istnieją i mają rzeczywiście masy planetarne. Jest to więc nowa kategoria planet pozasłonecznych” – wskazuje polski astronom.

W 2026 roku w kosmos ma polecieć satelitarna misja Roman. Za jedno z głównych zadań NASA stawia jej detekcję i badania planet swobodnych. Również Chińczycy przygotowują analogiczny projekt, misję Earth 2.0, w 2028 roku. Prawdopodobnie więc w najbliższych latach astronomowie odkryją dużo więcej obiektów tego rodzaju.

Projekt OGLE jest współfinansowany przez MNiSW, NCN oraz FNP.