Wyścig łowców planet

Niedawno badacze z Uniwersytetu w Auckland w Nowej Zelandii oszacowali, że w polu widzenia instrumentów badawczych, jakimi dysponuje dziś nauka znajduje się około 100 miliardów planet skalistych, podobnych do naszej. Takie globy przez naukowców określane są jako „superziemie". Na wielu z nich, mogą istnieć warunki sprzyjające życiu.

Wizja ich odkrycia jest siłą napędową współczesnej astronomii. Na poszukiwanie odległych planet (niekoniecznie podobnych do Ziemi) zwanych przez naukowców „egzoplanetami" co roku na świecie wydaje się gigantyczne pieniądze.

Do tej pracy zaprzęgnięte zostały największe teleskopy, np. Bardzo Duży Teleskop (VLT) – zespół czterech urządzeń Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) w Paranal w Chile, czy ALMA – Atacama Large Millimeter Array, największy na świecie radioteleskop położony w Andach chilijskich. A projektowane są następne jeszcze większe i doskonalsze instrumenty. W roku 2022 ma rozpocząć pracę Ogromnie Wielki Teleskop Europejski (EELT) – największy na świecie teleskop optyczny o średnicy lustra głównego ponad 39 metrów. Budowany jest przez ESO.

Pozasłonecznych planet poszukują też satelity, np. Kosmiczny Teleskop Keplera. Ostatnio niestety przestał funkcjonować, nie słucha poleceń przekazywanych z Ziemi. Po 4 latach pracy nastąpiła awaria żyroskopu urządzenia do poszukiwania odległych planet, które kosztowało 600 milionów dolarów. Ale Kepler zdążył już odkryć 2740 potencjalnych odległych planet, z których istnienie 122 zostało potwierdzone. NASA i Europejska Agencja Kosmiczna przygotowują kolejne satelity do poszukiwania odległych globów.

Podwójny obraz

Gigantyczna liczba planet, jakie czekają na odkrycie jeszcze kilka lat temu byłaby nie do wyobrażenia. Dziś okazuje się jednak, że naukowcy nie mają dostatecznej mocy przerobowych, aby je wyłuskać z powszechnych we wszechświecie układów planetarnych. Chcą je więc poszukiwać metodą mikrosoczewkowania grawitacyjnego.

Ojcem tej metody jest prof. Bohdan Paczyński, polski astrofizyk, który od lat 80. do śmierci w 2007 roku pracował na Uniwersytecie Princeton w USA. To on zwrócił uwagę na to zjawisko i zaproponował sposób poszukiwania odległych globów.

– Zjawisko mikrosoczewkowania wynika z ogólnej teorii względności Einsteina – tłumaczył w 2002 roku w rozmowie z „Rzeczpospolitą". – Efekt wywołany jest tym, że tor promieni światła ulega zakrzywieniu w pobliżu masywnych obiektów. Można to interpretować w ten sposób, że przestrzeń wokół masywnych obiektów jest trochę wykrzywiona, a więc światło, starając się biec po najkrótszej drodze, też się wykrzywia. Wielu uczonych, niezależnie od siebie, przewidywało, że takie zjawisko będzie miało miejsce wtedy, gdy daleka i bliska gwiazda ułożą się na jednej linii z obserwatorem. I wtedy promienie światła z dalekiego jasnego obiektu, przelatując koło dużej masy, będą się zakrzywiać. Dysponując teleskopem, moglibyśmy widzieć podwójny obraz dalekiej gwiazdy, rozdwojony przez pole grawitacyjne obiektu, który jest pomiędzy nami.

Takie zjawisko w skali całego wszechświata zostało zaobserwowane po raz pierwszy w 1979 roku. Źródłem światła był tzw. kwazar, niesłychanie jasny obiekt, oddalony od nas o 10 miliardów lat świetlnych. Pomiędzy podwojonym obrazem gwiazdy widać było ogromną galaktykę, bardzo masywną, która działała jako soczewka. Według teoretyków takie same zjawiska powinny dać się zaobserwować w mniejszej skali, gdzie zamiast kwazarów i galaktyk są po prostu gwiazdy.

Kłopot polega na tym, że gwiazdy mają mniejszą masę i to rozdwojenie obrazu jest zbyt małe, aby być bezpośrednio widoczne. Zaobserwować można byłoby tylko rozjaśnienie gwiazdy. W galaktyce wszystko się rusza i to idealne ustawienie na jednej linii nie może trwać długo – zaledwie kilka tygodni. Gwiazda, która jest źródłem światła, oraz ta, która działa jako soczewka, przesuwają się względem siebie, zmieniając właściwości optyczne. Kłopot polega na tym, że to są bardzo rzadkie zjawiska.

Jedna wśród miliona gwiazd

W artykule „Gravitational Microlensing by the Galactic Halo" w prestiżowym magazynie „Astrophysical Journal Letters" opublikowanym w 1986 roku prof. Paczyński określił prawdopodobieństwo, z jakim to zjawisko może nastąpić oraz niezbędne do tego warunki. Oszacował, że soczewkowanie może zachodzić w przypadku jednej na milion gwiazd.

W 2000 roku Paczyński, będąc już znanym na świecie astrofizykiem, profesorem jednego z najbardziej prestiżowych uniwersytetów amerykańskich, otrzymał nagrodę Polskiego Towarzystwa Fizycznego. Została przyznana m.in. za „odkrycie zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego do poszukiwania masywnych obiektów astronomicznych"

– Kształt zmian jasności wywołany tym zjawiskiem jest bardzo prosty do policzenia teoretycznego – tłumaczył prof. Paczyński. – Dowolna gwiazda, duża czy mała, gorąca czy zimna, będzie miała jasność wzmacnianą przez soczewkę w taki sam sposób. Dotyczy to wszystkich typów gwiazd bez wyjątku.

Prof. Andrzej Udalski z Uniwersytetu Warszawskiego po raz pierwszy zaproponował: obserwujmy miliony gwiazd i wybierzmy takie, które się przez rok czy dwa nie zmieniają. Jeżeli taka gwiazda nagle zaczyna zmieniać jasność w pewien określony sposób, możemy powiedzieć, że jest to zjawisko mikrosoczewkowania.

W tym czasie polscy astronomowie byli już znani na świecie jako twórcy nowatorskiej metody. W roku 1992 odnieśli pierwszy sukces. Z Ziemi astronomowie pod kierunkiem prof. Udalskiego obserwowali charakterystyczną zmianę jasności gwiazd. Wyglądały dokładnie tak, jak przewidział Paczyński. Ale jeżeli wokół gwiazdy-soczewki krąży planeta, jej obecność wprowadza dodatkowe zakłócenia. To jeszcze mniej prawdopodobne, niż „zwykłe" soczewkowanie gwiazd że akurat trzy ciała ustawią się na jednej linii i jedno przejdzie na tle drugiego. Żeby takie zjawisko zauważyć, trzeba obserwować miliony gwiazd. No i trzeba dysponować najwyższej klasy urządzeniami rejestrującymi zmiany jasności gwiazd. Polscy łowcy planet udowodnili, że ta metoda jest skuteczna. Po ponad dwudziestu latach, każdy może się zabawić w odkrywcę spektakularnych obiektów, metodą, jaką stworzyli polscy uczeni. 8 maja ruszył wielki projekt nauki obywatelskiej „Space Warps". Na stronie http://www.spacewarps.org każdy może się zapoznać z instrukcją, ściągnąć odpowiednie oprogramowanie i przystąpić do dzieła. Na tysiącach archiwalnych zdjęć dokonywanych przez lata przez wyspecjalizowane instrumenty różnych teleskopów amatorzy będą poszukiwali „kosmicznych soczewek".

– Mamy zeskanowane obrazy i oglądaliśmy je z wykorzystaniem algorytmów komputerowych, ale wiele zdjęć, na których znajdują się „soczewki", zostało niezauważonych przez nasze komputery – zauważa dr Anupreeta More z Instytutu Fizyki i Matematyki Wszechświata Kavli Uniwersytetu Tokijskiego.

Naukowcy przyznają, że ludzki mózg jest o wiele lepszy w identyfikacji „kosmicznych soczewek" niż stosowane obecnie algorytmy komputerowe. – Entuzjaści astronomii są równie dobrzy w wyszukiwaniu obiektów w kosmosie co eksperci najwyższej klasy – uważa dr More. – Projekt będzie przykładem współpracy między ludźmi i maszynami. Przykłady soczewkowania grawitacyjnego odkryte przez ochotników pomogą nam wytrenować komputery, aby w przyszłości stały się lepszymi obserwatorami.

– Choć Einstein przewidział to zjawisko, to dopiero Paczyński zaproponował w praktyce tę metodę do wyszukiwania układów planetarnych – podkreśla w rozmowie z „Rz" prof. Andrzej Udalski.

Odmierzanie wszechświata

Polski program badawczy „Eksperyment Soczewkowania Grawitacyjnego" ang. skrót OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) powstał z inspiracji prof. Paczyńskiego. Większość kadry naukowej, jaka weszła w skład zespołu to badacze z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego. Na czele zespołu stanął Andrzej Udalski, który kieruje nim do dzisiaj nieprzerwanie od 1992 roku.

OGLE to jeden z największych fotometrycznych przeglądów nieba. W pierwszej fazie projektu, w latach 1992–1995, zespół OGLE odkrył pierwsze przypadki mikrosoczewkowania grawitacyjnego w centrum Drogi Mlecznej oraz pierwszy przypadek mikrosoczewkowania przez gwiazdę podwójną. W czasie trwania drugiej fazy projektu (w latach 1997–2000) zespół dokonał kalibracji kilku tzw. świec standardowych (cefeid – gwiazd zmiennych) co pozwoliło na zbudowanie skali odległości we wszechświecie ze znacznie większą dokładnością niż wcześniej. Skala ta udoskonalona została w 2010 roku przez zespół pod kierownictwem prof. Grzegorza Pietrzyńskiego.

W 2001 prof. Udalski skonstruował kamerę mozaikową CCD z ponad 65 milionami elementów światłoczułych. Dzięki niej można było prowadzić jednoczesną obserwację aż miliona obiektów. Kamera udoskonaliła znacznie możliwości Warszawskiego Obserwatorium Południowego w Las Campanas w Chile.

Układ kompletny

Zastosowanie nowatorskiej kamery przyniosło efekt prawie natychmiast. W 2002 roku polscy badacze odkryli pierwszą planetę pozasłoneczną metodą mikrosoczewkowania. Informacja o tym sukcesie odbiła się szerokim echem w środowisku naukowym na całym świecie. Wkrótce przyszły odkrycia kolejnych nieznanych globów w odległych układach planetarnych. 14 egzoplanet obiegających swoje odległe gwiazdy, o które powiększył się katalog potwierdzonych odkryć, było największym osiągnięciem III fazy projektu OGLE, realizowanego w latach 2002–2009.

Prace polskiego zespołu, który zrewolucjonizował poszukiwanie pozaziemskich planet doceniła Fundacja na Rzecz Nauki Polskiej. Prof. Udalski został laureatem nagrody fundacji w roku 2002 oraz subsydium profesorskiego „Mistrz" rok później.

Zespół OGLE ma już zasłużone miejsce w międzynarodowym klubie łowców planet. Prace prowadzone pod kierunkiem prof. Udalskiego otworzyły drogę innym badaczom na świecie. W roku 2005 zespół OGLE we współpracy z międzynarodowym projektem PLANET i zespołem MOA stał się odkrywcą planety OGLE-2005-BLG-390L b, najmniejszej najbardziej podobnej do Ziemi, ze znanych wówczas egzoplanet. W roku 2006 zespół odkrył OGLE-2006-BLG-109 – pierwszy kompletny układ planetarny podobny do Słonecznego, znajdujący się prawie 5 tys. lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Strzelca. Współpraca z wiodącymi ośrodkami na całym świecie jest dziś kontynuowana.

– Chciałbym odkryć unikalne obiekty, może małą planetę w ciekawej konfiguracji – mówił w wywiadzie dla „Rz" w 2010 prof. Udalski. – Z czysto astrofizycznego punktu widzenia chciałbym zrobić porządną statystykę układów planetarnych. To cel dla mnie najważniejszy. Nigdy jednak nie wiadomo, co ciekawego się odkryje. Szukamy też nowych obiektów w Układzie Słonecznym. Przeszukujemy właśnie duży fragment nieba południowego pod kątem poszukiwania nieznanych dotąd tzw. planet karłowatych. Dysponujemy potrzebnym do tego typu poszukiwań sprzętem: kamerą mozaikową składającą się z 32 detektorów, którą sami zaprojektowaliśmy.

Ta kamera CCD zainstalowana w miejsce poprzedniej w Warszawskim Obserwatorium Południowym w Las Campanas to unikatowy w skali światowej instrument naukowy. Ponad ćwierć miliarda pikseli wypełnia ok. 30 cm średnicy teleskopu i rejestruje na jednym zdjęciu obszar nieba odpowiadający ponad siedmiu tarczom Księżyca. W ciągu roku kamera OGLE-IV rejestruje ok. 50 terabajtów danych, co stawia projekt OGLE w rzędzie największych na świecie. Dziś naukowcy obserwują setki milionów gwiazd, są w stanie zarejestrować odległe, bardzo małe planety, podobne do Ziemi. Już w trakcie kalibracji kamery astronomowie odkryli dwa nieznane dotąd obiekty, prawdopodobnie planety karłowate w pasie Kuipera na obrzeżach Układu Słonecznego oraz tzw. planety swobodne – samotnie przemierzające przestrzeń międzygwiazdową. W ciągu roku pracy obserwatorium kamera rejestruje od 1500 do 2 tys. „kosmicznych soczewek".

– Tego instrumentu z najwyższej półki zazdroszczą nam astronomowie na całym świecie – przekonuje prof. Udalski. – Ogromna kamera mozaikowa Kosmicznego Teleskopu Keplera przy naszym instrumencie to maluch.

Znaczek z podobizną

Kiedy Udalski rozkręcał działalność zespołu OGLE, na początku stycznia 1992 roku na zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Atlancie prof. Aleksander Wolszczan i Dale Frail prezentowali odkrycie pierwszych dwóch planet krążących po orbicie pulsara PSR 1257+12 w konstelacji Panny, odległego od Ziemi o 980 lat świetlnych.

Kilka dni później prestiżowy magazyn „Nature" opublikował artykuł szczegółowo opisujący odkrycie. Była to pierwsza informacja o planetach poza Układem Słonecznym. Wówczas była to sensacja na skalę światową. Później astronomowie w tym samym układzie odkryli dwie kolejne planety. W momencie odkrycia prof. Wolszczan pracował na Uniwersytecie Cornell, od 1992 roku jest profesorem na Uniwersytecie Stanowym w Pensylwanii (PennState).

Tego, że od wokół otaczających nas gwiazd krążą miliony planet, domyślano się od dawna. Jednak do chwili odkrycia Wolszczana i Fraila nauka nie potrafiła ich wskazać. Osiągnięcie polskiego naukowca przyczyniło się do powstania nowej dziedziny badań – astronomii pozasłonecznych układów planetarnych. Nauka zna już prawie 900 planet krążących wokół mniej lub bardziej odległych gwiazd. Uczeni mają nadzieję, że trafią na planetę podobną do Ziemi, na której panowałyby podobne warunki do ziemskich, a więc byłaby szansa na jakieś formy życia. Kilka takich już zostało odkrytych, ale ciągle nie ma pewności, czy istnieje tam życie.

Za swoje osiągnięcie prof. Wolszczan otrzymał nagrodę Fundacji Rzecz Nauki Polskiej za rok 1992. Został najpopularniejszym w Polsce astronomem. Okrzyknięto go następcą Kopernika. W 2002 roku Poczta Polska wydała nawet znaczek z podobizną astronoma.

Dr Celebryta

W maju 2007 prof. Wolszczan został współodkrywcą planety HD 17092 b, krążącej wokół gwiazdy w gwiazdozbiorze Perseusza, w odległości 300 lat świetlnych od Ziemi. Grupą astronomów kierował prof. Andrzej Niedzielski z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu (UMK). Astronomowie posługiwali się teleskopem Hobby-Eberly w Teksasie. W tym czasie prof. Wolszczan wykładał na swojej macierzystej uczelni UMK.

Był największym naukowym celebrytą do roku 2008, kiedy wyszło na jaw, że podczas swoich podróży naukowych za granicę współpracował z tajnymi służbami PRL. Prof. Wolszczan to potwierdził i zrezygnował z pracy na uniwersytecie Toruniu.

Zdążył jednak zgromadzić wokół siebie grono młodych zdolnych współpracowników, którzy zostali zarażeni przez niego bakcylem poszukiwaczy egzoplanet. Jednym z nich jest Maciej Konacki pracujący obecnie na Uniwersytecie Adama Mickiewicza w Poznaniu (od 2011 z tytułem profesora nauk fizycznych). W 2000 roku Konacki obronił pracę doktorską „Poszukiwanie planet poza Układem Słonecznym". Jej promotorem był prof. Wolszczan.

W 2002 roku Konacki napisał śmiały projekt obserwacyjny. Pomysł wymagał jednak wykorzystania 10-metrowego teleskopu Keck na Hawajach, zbudowanego na wygasłym wulkanie na wysokości 4200 m n.p.m. Ambitnemu badaczowi odkrycie się udało. Po trzymiesięcznej, żmudnej analizie danych odkrył pierwszą odległą planetę wielkości Jowisza. To otworzyło mu drogę do grantu NASA na dalsze poszukiwanie planet w tym obserwatorium.

W roku 2005 odkrył gigantyczną planetę w potrójnym układzie gwiazd. Układ HD188753 w konstelacji Łabędzia jest odległy od nas o ok. 149 lat świetlnych. Odkrycie wywołało wiele komentarzy w środowisku astronomów i astrofizyków, rzuciło bowiem nowe światło na teorię powstawania dużych planet gazowych zwanych „gorącymi Jowiszami". W tym samym roku Konacki przyczynił się do ujawnienia czwartej planety w układzie odkrytym wcześniej przez prof. Wolszczana. Od tego momentu absolwent Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu stał się znanym na świecie astrofizykiem.