Początkowo obserwowaliśmy błyszczące dyski pyłowe, potem identyfikowalne ślady egzokomet, natomiast 15 lat temu układ gwiezdny Beta Pictoris dostarczył nam jedno z najbardziej wyjątkowych ujęć w astrofizyce – obraz planety okrążającej gwiazdę inną niż Słońce.
Młoda jasna gwiazda, oddalona o 63 lata świetlne, widoczna gołym okiem, omal całkowicie przyćmiła słabe światło planety. Wówczas – gdy astronomowie, korzystając z teleskopu Europejskiego Obserwatorium Południowego, usunęli z ujęcia światło gwiazdy, ukazała się niewielka kropka, rozmiaru zaledwie kilku piksel, jednak to wystarczyło, aby otworzyć się na technikę obrazowania bezpośredniego.
„Po tym wiedziałam, co chcę robić w astronomii” – powiedziała Marie Ygouf, naukowczyni specjalizująca się w fotografowaniu egzoplanet w Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA w południowej Kalifornii. Pierwszy raz zobaczyła zdjęcie planety Beta Pictoris b jako licencjatka. Ygouf przyznała, że była wtedy zachwycona. „Ekscytowały mnie próby sfotografowania egzoplanet, próby wykrycia życia na innych planetach.” – stwierdziła – „Przekonało mnie to”.
Obecnie układ Beta Pictoris, nazywany też w skrócie Beta Pic, jest znany z wczesnych, zapierających dech w piersiach zdjęć ukazujących pyłowe drobinki oraz z licznych dowodów na istnienie egzokomet, czyli komet wykrytych poza naszym Układem Słonecznym. Odkrycie drugiej planety w układzie (Beta Pictoris c) wywołało wielkie podekscytowanie w świecie nauki w 2018 roku.
Jak powiedziała Anne-Marie Lagrange – astronomka w LESIA (Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique, pol. Laboratorium Badań Kosmicznych i Instrumentacji w Astrofizyce) obserwatorium paryskiego, która pracowała nad dogłębnym zrozumieniem układu od ponad 30 lat – naukowcy zaangażowani we wczesne obserwacje układu niezwykle się natrudzili, by przekonać kolegów o prawdziwości ich przełomowych odkryć.
W połowie lat 80. jeszcze jako stażystka Lagrange zaczęła swoje badania Beta Pic, krótko po tym, jak zdjęcie dysku wywołało duże emocje. Jednym z jej kluczowych osiągnięć było odkrycie w masywnych skupisk gazu spadających na powierzchnię centralnej gwiazdy z prędkością 350 km/s.
Ten kompozytowy obraz przedstawia bliskie otoczenie Beta Pictoris widziane w bliskiej podczerwieni. Jest ono widoczne po bardzo starannym odjęciu znacznie jaśniejszego halo gwiezdnego. Zewnętrzna część obrazu przedstawia światło odbite od dysku pyłowego, zaobserwowane w 1996 r. za pomocą instrumentu ADONIS na 3,6-metrowym teleskopie ESO; wewnętrzna część z kolei, widziana jest na długościach 3,6 mikrona za pomocą instrumentu NACO na VLT. Nowo wykryte źródło jest ponad 1000 razy słabsze niż Beta Pictoris, znajduje się w odległości 8 razy większej niż odległość Ziemia-Słońce. Obie części obrazu zostały uzyskane na teleskopach ESO wyposażonych w optykę adaptatywną.
Lagrange i jej współpracownicy oparli się na badaniach IUE (International Ultraviolet Explorer, pol. Międzynarodowy Badacz Ultrafioletu) – poprzednika Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Chcieli zasugerować, że spadanie gazu jest powodowane parowaniem komet.
„Były to pierwsze egzokomety [zaobserwowane] wokół obcej gwiazdy” – wyjaśniła – „Z początku wiele ludzi się z tego wyśmiewało”. Wyniki okazały się trafne, a obecność egzokomet w układzie potwierdziły obserwacje z 2022 roku.
W połowie lat 90. opierając się na świeżo wyniesionym teleskopie Hubble’a, a także na coraz bardziej zaawansowanym ziemskim sprzęcie, naukowcy zdali sobie sprawę, że dysk pyłowy wokół Beta Pictoris był wygięty, jak płyta winylowa pozostawiona zbyt długo na słońcu.
Wyniki otrzymane z modeli komputerowych sugerują, że przyczyną było zakrzywienie grawitacyjne spowodowane orbitującą planetą. W 2008 roku po długich staraniach Lagrange wraz ze swoim zespołem trafiła na żyłę złota – bezpośrednie ujęcie ogromnej planety gazowej, tak młodej, że nadal świecącej się od niedawnych narodzin.
„Fajne jest to, że przewidzieliśmy to 10 lat wcześniej” – powiedziała Marie Ygouf, naukowczyni w zespole badawczym Nancy Grace Roman Space Telescope.
Przyszłość fotografowania egzoplanet
Bezpośrednie fotografowanie to wciąż stosunkowo niewielki gracz w wykrywaniu egzoplanet. Jego rola wzrośnie w nadchodzących latach i dekadach, zapewniając wgląd w naturę odległych planet w miarę rozwoju technologii, lecz nawet wtedy „zdjęciem” planety będzie zaledwie kilka pikseli.
Obserwacje wykonane za pomocą aparatu NACO (NAOS-CONICA, Nasmyth Adaptive Optics System, Coude Near Infrared Camera) Very Large Telescope Europejskiego Obserwatorium Południowego w 2003, 2008 i 2009 potwierdziły obecność planety wokół Beta Pictoris. Znajduje się ona w odległości 8-15 jednostek astronomicznych, co odpowiada odległości Saturna od Słońca. Masa planety jest 9 razy większa od masy Jowisza i biorąc pod uwagę jej położenie, wyjaśnia obserwowane wygięcie w wewnętrznej części dysku.
Może to brzmieć rozczarowująco, szczególnie w dobie spektakularnych efektów komputerowych w filmach science-fiction. Jeżeli znajdziemy planetę podobną do Ziemi, nie zobaczymy kontynentów, a przynajmniej jeszcze nie teraz. Jednak taka mała kropka światła będzie zawierała wiele informacji, m.in. szczegóły dotyczące atmosfery planety, obłoków, temperatury, a może nawet oznak życia.
Rozszczepiając światło z takiej małej kropki w kolorowe spektrum, naukowcy mogą zobaczyć brakujące w nim linie – fragmenty spektrum pochłonięte przez cząsteczki w atmosferze innej planety, gdy światło gwiazdy odbija się od niej lub jej powierzchni. Brakujące długości odpowiadają poszczególnym gazom i cząsteczkom występującym w atmosferze gwiazdy. Ta metoda detekcji nazywana jest spektroskopią.
Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba już teraz korzysta z wbudowanych spektrografów, wykrywając składniki atmosfer egzoplanet. Zaplanowana na 2027 rok misja Nancy Grace Roman Space Telescope ma na celu badanie atmosfer dojrzałych egzoplanet o rozmiarach rzędu Jowisza.
Ygouf jest członkinią zespołu naukowego zajmującego się koronografem teleskopu Roman, który zablokuje blask macierzystej gwiazdy, aby światło z jej planet mogło być wykryte. Urządzenie będące prezentacją technologii zawiera dwa elastyczne zwierciadła korygujące zniekształcenia światła spowodowane przez instrument i teleskop sam w sobie. Marie mówi, że metody bezpośredniego fotografowania, dzięki którym uchwycono Beta Pictoris, mogą pewnego dnia rozwiązać jedną z największych tajemnic:
„Z tą techniką będziemy w stanie odpowiedzieć na fundamentalne pytanie – czy istnieje życie pozaziemskie” – powiedziała – „To zdumiewające i niesamowite, że z tych kilku pikseli będziemy mogli dowiedzieć się tylu rzeczy o planetach: czy są one gazowe, czy skaliste; albo czy mają atmosferę lub nie. Jeśli się uda, w przyszłości wykonamy estetyczne mapy tych planet, ukazujące potencjalne obłoki. Może to i kilka pikseli, jednak możemy z nich wyciągnąć tak dużo informacji”.
The Habitable Worlds Observatory to koncepcja misji, aktualnie na wczesnym etapie planowania. Ma ona udoskonalić tę metodę, aby mierzyła skład atmosfer małych planet skalistych, takich jak nasza własna, które obecnie widzimy jako małe kropki na bezpośrednich ujęciach.
Korekta — Rafał Górski
