Zdjęcie w tle: Artystyczna wizja planety swobodnej soczewkującej odległą gwiazdę w centrum Drogi Mlecznej. J. Skowron, K. Ulaczyk / OGLE
Nowy rok dopiero się zaczął, a świat nauki już dostarcza przełomowych wiadomości. 1 stycznia na łamach amerykańskiego czasopisma Science opublikowano wyniki badań międzynarodowego zespołu astronomów, wśród których znaczącą rolę odegrali Polscy naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego. Po raz pierwszy udało się jednoznacznie potwierdzić istnienie i określić masę planety swobodnej, czyli takiej, która nie jest grawitacyjnie związana z żadną gwiazdą. Odkrycie to uznawane jest za jedno z najważniejszych osiągnięć astronomii ostatnich dekad.
Astronomowie od dawna przypuszczali, że we Wszechświecie istnieją układy planetarne odmienne od naszego. Pierwszą planetę spoza Układu Słonecznego odkryli w 1991 roku astronomowie: Polak Aleksander Wolszczan i Kanadyjczyk Dale Frail. Wykorzystując wówczas największy na świecie radioteleskop Arecibo w Portoryko, zaobserwowali nietypowe nieregularności w impulsach wysyłanych przez pulsującą gwiazdę PSR B1257+12, co wskazywało na obecność okrążających ją planet. Od tego momentu badania nad planetami pozasłonecznymi, czyli egzoplanetami, zaczęły rozwijać się niezwykle dynamicznie. Jednym z kluczowych pytań pozostawało to, czy możliwe jest istnienie planety, która przemierza przestrzeń kosmiczną samotnie, nie okrążając żadnej gwiazdy.
Do wykrywania obiektów pozasłonecznych wykorzystuje się metodę mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Zjawisko to polega na chwilowym wzroście jasności odległej gwiazdy, gdy z perspektywy obserwatora na jej tle przechodzi inny obiekt, którego pole grawitacyjne zakrzywia biegnące ku Ziemi promienie światła. W zależności od masy soczewki, wzmocnienia jasności mogą trwać od kilku godzin nawet do setek dni. Metoda ta jest szczególnie skuteczna w przypadku ciemnych obiektów soczewkujących. Planety same nie emitują światła, a w przypadku planet swobodnych, które nie odbijają blasku żadnej gwiazdy, byłyby one w inny sposób praktycznie niemożliwe do zaobserwowania.
Schemat tłumaczący zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Z perspektywy obserwatora na Ziemi, obiekt-soczewka wchodzi na jedną linię z gwiazdą tła, co powoduje tymczasowy wzrost jej obserwowanej jasności.
Analizą zmian jasności gwiazd w Drodze Mlecznej oraz w sąsiednich regionach zajmują się dwa duże projekty obserwacyjne: OGLE (The Optical Gravitational Lensing Experiment – polski projekt obserwacyjny skoncentrowany na badaniu zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego) oraz Gaia Science Alerts. Do tej pory dzięki metodzie mikrosoczewkowania odkryto kilkanaście obiektów, które uznano za potencjalne kandydatki na planety swobodne. Szacuje się, że takich obiektów we Wszechświecie może istnieć nawet więcej niż planet krążących w układach planetarnych.
Dotychczas jednak nie udawało się wyznaczyć odległości żadnej z tych kandydatek od Ziemi, co jest kluczowe do określenia ich masy. W konsekwencji nie było możliwe jednoznaczne stwierdzenie, czy obiektem soczewkującym jest rzeczywiście planeta swobodna, czy też inny typ ciała niebieskiego o większej masie, na przykład brązowy karzeł, czyli obiekt o masie zbyt małej, by rozpocząć reakcje termojądrowe charakterystyczne dla gwiazd.
Na animacji wizja artystyczna planety swobodnej soczewkującej światło odległej gwiazdy. Źródło: J. Skowron / OGLE
W jaki sposób doszło więc do przełomu?
Wszystko zaczęło się od obserwacji z 3 maja 2024 roku, wykonanych przez teleskop OGLE w Obserwatorium Las Campanas w Chile oraz teleskopy koreańskiej sieci KMTNet, rozmieszczone w Australii i Ameryce Południowej. Instrumenty te zarejestrowały trwający około dwóch dni wzrost jasności gwiazdy w centralnych rejonach Drogi Mlecznej. Charakter tego sygnału odpowiadał efektowi, jaki wywołałaby przechodząca na tle gwiazdy soczewkująca planeta swobodna. Zdarzenie, skatalogowane jako KMT-2024-BLG-0792/OGLE-2024-BLG-0516, szybko dołączyło więc do grona obiecujących kandydatek.
Dwa miesiące później okazało się, że miał miejsce wyjątkowy i szczęśliwy zbieg okoliczności. W tym samym czasie ten sam obszar nieba był bowiem obserwowany przez europejską sondę kosmiczną Gaia, która od lipca 2014 roku do marca 2025 roku skanowała całe niebo (należy zaznaczyć, że również w tej misji polscy naukowcy odegrali istotną rolę we współtworzeniu projektu, jak i w analizie danych oraz interpretacji wyników). Choć Gaia nie była skierowana na to zdarzenie celowo i nieustannie się obracała, zdołała wykonać sześć pomiarów tego regionu w ciągu kluczowych 15 godzin trwania zjawiska mikrosoczewkowania.
Dane obserwacyjne zebrane jednocześnie z powierzchni Ziemi oraz z sondy znajdującej się w punkcie libracyjnym L2 – stabilnym grawitacyjnie obszarze oddalonym o około 1,5 miliona kilometrów od naszej planety – umożliwiły po raz pierwszy zmierzenie tzw. paralaksy mikrosoczewkowej. Pozwoliło to na triangulacyjne wyznaczenie odległości zarówno do gwiazdy tła, jak i do obiektu soczewkującego poprzez porównanie niewielkich różnic w przebiegu zdarzenia widzianego z obu perspektyw, między którymi różnica w czasie wyniosła 2 godziny. Znając te odległości oraz czas trwania mikrosoczewkowania, naukowcy mogli jednoznacznie obliczyć masę tajemniczego obiektu.
Wizja artystyczna zjawiska mikrosoczewkowania KMT-2024-BLG-0792/OGLE-2024-BLG-0516, zaobserwowanego jednocześnie z obserwatoriów naziemnych i przez sondę Gaia.
Wyznaczona masa wyniosła około 70 mas Ziemi, czyli 22% masy Jowisza. Co równie istotne, w promieniu 20 jednostek astronomicznych (odpowiadającym odległości Ziemia–Słońce) nie znaleziono żadnej gwiazdy, wokół której obiekt mógłby krążyć. Ostatecznie potwierdziło to, że mamy do czynienia z planetą swobodną.
Naukowcy uważają, że planety swobodne powstają pierwotnie w układach planetarnych, a następnie zostają z nich wytrącone w wyniku oddziaływań grawitacyjnych z innymi planetami lub gwiazdami. Fakt, że masa tej pierwszej odkrytej planety swobodnej jest porównywalna do masy Saturna, wspiera teorię, że uformowała się w klasycznym układzie planetarnym, a nie w izolacji, jak np. małe gwiazdy. Potwierdzone odkrycie nowej klasy ciał niebieskich z pewnością rozbudzi dalsze badania nad egzoplanetami w celu odnalezienia kolejnych samotnych planet, lepszego poznania ich cech, pochodzenia, a także zrozumienia warunków panujących w tych nietypowych środowiskach.
Wśród autorów pracy znajdują się: Andrzej Udalski, Przemek Mróz, Krzysztof A. Rybicki, Łukasz Wyrzykowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Dorota M. Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Milena Ratajczak, Patryk Iwanek, Marcin Wrona oraz Mateusz J. Mróz. Całemu Zespołowi Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego należą się ogromne gratulacje za to historyczne odkrycie.
