Egzoplanetos: beieškant proto brolių

Atkakli proto brolių ar bent nežemiškos gyvybės pėdsakų paieška liudija tiesiog kosminį žmonijos socialumą ir siekį neaprėpiamai plėsti pažįstamų ratą. Atidžiai žvalgantis po kosmosą, optimizmo vis daugiau, nes apie žvaigždes besisukančios planetos atrodo ne išimtis, o taisyklė. Štai NASA kosminis palydovas „Kepler“, po devynerių metų darbo šių metų spalio 30 d. paleistas užtarnauto poilsio, atrado daugiau kaip penkis šimtus egzoplanetų sistemų ir daugiau kaip du tūkstančius planetų už mūsų Saulės sistemos ribų. Iš viso sąraše – jau beveik keturi tūkstančiai pavadinimų. Jos sukasi ne tik apie Saulės tipo žvaigždes, bet ir apie pulsarus, žvaigždes milžines ar mažąsias raudonąsias nykštukes. Jų sandara taip pat labai skirtinga. Ši planetų medžioklė prasidėjo prieš 25-erius metus, kai dviems šveicarų astronomams pavyko įrodyti, jog apie 51-ąją Pegasi žvaigždę skrieja planeta. Astrofizikė, dr. Erika Pakštienė sako: „kol dar nebuvo atrasta egzoplanetų, daug kas abejojo, ar apskritai kitos žvaigždės turi egzoplanetų. Atradus pirmąsias egzoplanetas, buvo svarbu sužinoti, ar tos egzoplanetos panašios į Saulės sistemos planetas“. Vien mūsų galaktikoje yra apie 100 mlrd. žvaigždžių. Astronomai įsitikinę, kad prie daugumos jų egzistuoja planetų sistemos, panašios į mūsiškę. Taigi, turėtų būti net keli milijardai daugiau ar mažiau į Žemę panašių egzoplanetų. Tačiau iš pradžių tyrėjams knietėjo išsiaiškinti, ar kitų saulių sistemos atitinka mūsų Saulės sistemos modelį.

Mokslininkai nustebo pamatę, kad planetos milžinės, tokios kaip Jupiteris, gali skrieti labai arti savo žvaigždžių, o tų planetų orbitos yra net mažesnės, negu Merkurijaus orbita. Buvo atrasti karštieji Jupiteriai, kurių nėra Saulės sistemoje. Paaiškėjo, kad tie jupiteriai gali garuoti. Ir kai kurios tokios planetos milžinės jau tiek nugaravusios, jog likę tik planetų branduoliai. Taip pat atrasta daug vadinamų „vandens pasaulių“: planetų, primenančių Saturno palydovą Enceladą, kurio geizeriuose aptikta sudėtingų organinių molekulių (Gliese 1214b); archipelago pasauliu praminta planeta Kepler 186f, besisukanti apie raudonąją nykštukę už 582-jų šviesmečių nuo Žemės – viena palankesnių gyvybei; superkaršta anglinė planeta 55 Cancri e už 40 šviesmečių nuo Žemės, kurios nemaža dalis nuo karščio pavirtusi deimantu; neįtikėtinai keista, panašiu atstumu nutolusi septynių planetų sistema, besisukanti apie raudonąją nykštukę TRAPPIST-1, kuriose tikriausiai egzistuoja skystas vanduo ir atmosferos; tai pat Tabby žvaigždė, skriejanti už 1500 šviesmečių, dėl nereguliarių ir stiprių ryškumo pokyčių vadinama ateivių infrastruktūros žvaigžde. Kai kas fantazuoja, kad nežemiška civilizacija aplink ją sukūrė Daisono sferą.

Ši įvairovė liudija išaugusius astronomų sugebėjimus interpretuoti gautus rezultatus, atkeliaujančius iš už dešimčių ar net tūkstančių šviesmečių. Egzoplanetų paieškas palengvino ir stebėjimų tikslumą ypač padidino pirmojo NASA planetų medžiotojo, „Kepler“ kosminio palydovo misija. Fotometru ginkluotas įrenginys devynerius metus ieškojo Žemės dydžio planetų prie 150.000 žvaigždžių, matuodamas jų šviesumą. E. Pakštienė aiškina, kad šis prietaisas atrado daugiausia egzoplanetų. Iš pradžių jų buvo ieškoma tranzito būdu. T.y., kai planeta praslenka žvaigždės fone, žvaigždės šviesumas sumažėja. Pagal tai sprendžiama, ar šio šviesumo sumažėjimo priežastis yra planeta. Taip pat galima nustatyti planetos masę, jos atstumą nuo žvaigždės. Tranzito būdas yra pats efektyviausias egzoplanetų paieškos būdas.

Egzoplanetų atradimo istorija dalijama į dvi dalis – iš pradžių planetų buvo ieškoma, stebint žvaigždės virpėjimą, jai sąveikaujant su planeta. Tačiau XX amžiaus pabaigoje pirmą kartą pavyko tiesiogiai pamatyti, kaip Jupiterio dydžio planeta praslinko žvaigždės fone. Šitaip sužinotas jos dydis. Stebint, kiek tranzito metu sumažėja žvaigždės šviesumas, nustatomas planetos skersmuo, o dviejų kūnų sąveika leidžia įvertinti jos masę. Sužinojus masę ir skersmenį, jau galima apskaičiuoti tankį – nustatyti, ar tai dujinė milžinė, ar Žemės tipo planeta, ar kokia nors kita versija. Taigi, norint ne tik atrasti tokią planetą, bet ir sužinoti jos būvį, būtina kuo nuodugniau ištirti žvaigždės savybes. Būtent tai ir atlieka prie šių intriguojančių tyrimų prisijungę Vilniaus universiteto astrofizikai. VU Teorinės fizikos ir astronomijos instituto direktorė, habil dr. prof. Gražina Tautvaišienė sako: „dabar siekiama surasti egzoplanetų prie ryškių artimų žvaigždžių. O artimas žvaigždes tokiais teleskopais, kokį turime Molėtų astronomijos observatorijoje, tikrai galime tirti. Nuo 2016 metų čia veikia ir naujas, didelės skiriamosios gebos spektrografas. Nusprendę pasinaudoti šia puikia galimybe, pradėjome tirti žvaigždes tose dangaus srityse, kurios bus labiausiai stebimos tų kosminių misijų“.

Nors „Kepler“ savo misiją jau atliko, jį pakeitė kitas NASA kosminis teleskopas TESS. Naudojant tranzito metodą, šiuo teleskopu bus ištirtas 400 kartų didesnis dangaus plotas, negu „Kepler“ misijos metu. Jis buvo sėkmingai Išvestas į orbitą 2018 m. balandį. TESS parametrai leidžia įvertinti mažų egzoplanetų masę, dydį, tankį ir orbitą. Ypač astronomus dominančias Žemės tipo planetas prie artimiausių žvaigždžių. Perspektyviausius kandidatus vėliau tirs NASA Džeimso Vebo kosminis teleskopas. Darbus tęs 2026 metais planuojama paleisti Europos kosmoso agentūros PLATO kosminė observatorija.

Astrofizikas, dr. Šarūnas Mikolaitis mano, kas ištyrus arti Žemės esančias šviesias ir ryškias žvaigždes, po to kitais prietaisais galima charakterizuoti atrastas egzoplanetas daug tiksliau, negu esančias prie blyškių žvaigždžių. Norint surasti į Žemę panašią planetą, kurioje galėtų egzistuoti gyvybė, reikia kur kas daugiau žinoti apie žvaigždes. Kol kas tik maždaug tik 30% ryškių žvaigždžių yra nuodugniai ištirtos.

Lietuvos Mokslo tarybos finansuojamo projekto „Žvaigždžių ir egzoplanetų tyrimai kosminių misijų TESS ir JWST kontekste“ dalyviai atliks išsamią maždaug 1000 ryškių F, G ir K – vėsesnių nei 8 tūkstančių laipsnių Celsijaus Galaktikos lauko žvaigždžių spektrinę analizę. Tikimasi, kad beveik kiekviena iš jų gali turėti bent vieną planetą ar planetų sistemą, kurias aptiks TESS kosminis teleskopas. Optiniai aukštos skiriamosios gebos spektrai, gauti Vilniaus universiteto Molėtų astronomijos observatorijoje, bus tiriami naudojant šiuolaikinius analizės metodus, nustatant žvaigždžių pagrindinius parametrus ir cheminę sudėtį, įskaitant svarbius gyvybės paieškoms ličio, anglies, deguonies, magnio ir silicio elementus. Pavyzdžiui, anglies ir deguonies santykis žvaigždėse gali pasakyti, kokia tikimybė, kad egzoplanetoje bus vandens. Norint sužinoti, ar egzoplaneta bus kieta ar dujinė, svarbus yra magnio ir silicio santykis. Šie cheminiai elementai turi skirtingą kondensacinę temperatūrą.

Spektroskopija – tai fantastiškas metodas, kuriuo įmanoma tiksliai nustatyti už daugybės šviesmečių nutolusių žvaigždžių sudėtį. Žvaigždžių spektras atskleidžia jų temperatūrą, tankį, masę, atstumą iki mūsų, ryškumą. Metodas praverčia tiriant planetų, ūkų, galaktikų ir aktyvių galaktikų branduolių savybes. Molėtų astronominėje observatorijoje veikia didžiausias teleskopas Šiaurės Europoje, kuriame sumontuoti naujausios kartos spektroskopiniai instrumentai. Teleskopas sukoncentruoja iš žvaigždės atsklidusią šviesą. Spektrografas ją išskleidžia į bangos ilgius. Tai iš principopanašu į ilgą vaivorykštę. Kiekvienoje spektro dalyje yra tam tikrų patamsėjimų, vadinamų spektrinėmis linijomis. Tai žvaigždės identifikacinis kodas, tarsi koks barkodas. Kiekvieną iš šių linijų palieka kažkokio cheminio elemento egzistavimas žvaigždės atmosferoje.

Pagrindiniai TESS palydovo stebėjimų laukai yra pietų ir šiaurės pusrutuliuose, apjuosiantys pietų ir šiaurės ekliptinius polius. Juose žvaigždės bus stebimos ištisus metus. Tolstant nuo polių stebėjimų laikas sumažės iki mėnesio. Įdomiausios žvaigždės bus pakartotinai tIriamos, naudojant spektrinius ir fotometrinius metodus. Stebėjimų rezultatus Lietuvos astrofizikai lygins su TESS palydovo gautais egzoplanetų duomenimis. Jo kūrėjai siekia, kad ši misija per savo gyvavimo laiką atrastų ne mažiau kaip penkiasdešimt Žemės tipo egzoplanetų.

Prof. G. Tautvaišienė pasakoja, kad projektą Lietuvos astrofizikai pradėjo vykdyti 2018 m. sausio 7 d. Stebėjimai pradėti nuo tos dangaus srities, kurią TESS observatorija tirs intensyviausiai. Nors Molėtų astroklimatas nėra itin palankus astronominiams stebėjimams, technologijų pažanga ir tinkamas objektų pasirinkimas leidžia gauti įspūdingų rezultatų. Be to, Lietuvos astrofizikai atliks žvaigždžių cheminės sudėties tyrimus ir su SONG teleskopu Kanarų salose. Visi šie darbai yra pasirengimas ambicingam tęsiniui – Džeimso Vebo kosminio teleskopo, kuris skries beveik 10 metų, didelės skyros planetų tranzitų spektrų analizei. Kadangi TESS teleskopas atras nemažai egzoplanetų, daugumą jų bus stebima tik tris mėnesius. Vėliau reikės stebėjimus tęsti. Todėl Lietuvos astrofizikai prisidės prie šios veiklos, ieškodami egzoplanetų.

Būtent šiuo projektu Lietuvoje pradedama nauja mokslinių tyrimų tematika, turėsianti ilgalaikę įtaką astrofizikos ir kitų sričių mokslų vystymuisi Lietuvoje. Egzoplanetų paieška ir charakterizavimas yra viena iš dinamiškiausių tyrimų sričių šiuolaikinėje astronomijoje, o surastų Žemės tipo egzoplanetų atmosferų tyrimai – tikra revoliucija. Prie to prisidės ir Lietuvos astrofizikai, bendradarbiaudami su geriausiais pasaulio specialistais. Lietuvos mokslininkai į šį projektą yra pakvietę žvaigždžių struktūros tyrinėjimų specialistų iš Aarhuso universiteto. Jie vadovauja Europos astroseisminių tyrimų konsorciumui ir turi daug patirties, dirbant su Keplerio palydovu. O TESS palydovo tyrimai bus panašūs į Keplerio misijos tyrimus. Įgiję patirties iš užsienio kolegų, lietuviai ketina dalyvauti ir analizuojant TESS palydovo duomenis.

Dar vienas instrumentas iš Lietuvos astrofizikų arsenalo – astroseisminiai tyrimai, leidžiantys sužinoti vidinę žvaigždės struktūrą. Ir TESS, ir būsimos Europos kosmoso agentūros misijos PLATO duomenys bus analizuojami ir astroseismologijos metodais, siekiant kuo daugiau sužinoti apie žvaigždžių sandarą. Žvaigždės savaime pulsuoja dėl jose vykstančių įvairių termobranduolinių reakcijų. Pulsacijos priklauso nuo to, ar žvaigždės centre dega vien vandenilis, ar jau yra susidaręs helio branduolys. Pagal tas astroseismines pulsacijas galima charakterizuoti pačią žvaigždę.

Taigi, egzoplanetų medžioklės procesas nelengvas, kadangi reikia sukurti atskaitos sistemą (t.y. pažinti ryškias žvaigždes), po to atrinkti perspektyviausias planetas. Ir tik tuomet kitas superprojektas – Jameso Webbo kosminis teleskopas (JWST) ketina jau tiesiogiai stebėti atrinktas egzoplanetas, analizuoti jų atmosferas. Lietuvos astrofizikai ketina kelti savo kvalifikaciją, bendradarbiaudami su Kembridžo universiteto prof. Niku Mathusotranu, kuris yra egzoplanetų atmosferų modeliavimo specialistas. Taip pat pradedama ruoštis ir egzoplanetų atmosferų tyrimams. Šiems tyrimams būtina mokėti nustatyti žvaigždės cheminę sudėtį. Lietuvos mokslininkai yra cheminių elementų: anglies, azoto ir deguonies tyrimų specialistai. Deja, kol kas dėl įvairių techninių problemų Hablo kosminį teleskopą pakeisiantis naujos kartos monstras – JWST, aprūpintas 6,5 metro skersmens aukso veidrodžiu, vis dar nėra parengtas skrydžiui. Tačiau tikimasi, jog 10 mlrd. dolerių vertės observatorija pakils 2021 metais. Ji turėtų pamatyti pačias pirmąsias žvaigždes ir galaktikas, susiformavusias po Didžiojo sprogimo. Todėl kol kas planuojama tirti egzoplanetų atmosferas, naudojant „Hubble“ kosminio palydovo duomenis arba spektrus, gautus didžiausiais pasaulyje teleskopais.

Ar mūsų viltims lemta išsipildyti, kada atrasime proto brolius, o gal jie mus atras pirmieji? Astronomų prognozės vis dar gana abstrakčios. Tačiau atkaklumo ir išradingumo jiems tikrai netrūksta. Pasiruoškime naujiems, dar labiau netikėtiems atradimams.

Rolandas Maskoliūnas