Astronomowie z University of Texas wymyślili nową, tanią i skuteczną metodę poszukiwania pozasłonecznych układów planetarnych podobnych do naszego.

Pośród ponad 100 znanych pozasłonecznych układów planetarnych bardzo niewiele jest choć trochę zbliżonych właściwościami do ziemskiego. Nie wiemy, czy powodowane jest to selektywnością naszych metod badawczych, czy też Układ Słoneczny jest rzeczywiście wyjątkowy. Pracownicy McDonald Observatory opracowali nowatorską metodę, łącząc wysłużony teleskop z najnowszą technologią.

Astronomowie Don Winget i Edward Nather, Fergal Mullally i Anjum Mukadem oraz ich współpracownicy szukają pozostałości po układach podobnych do naszego, ale w znajdujących się w późniejszym niż nasz stadium ewolucji. W tym celu zwrócili swoje przyrządu ku małym, wypalonym gwiazdom, zwanym białymi karłami

W badania zaangażowany jest także Bill Cochran i Ted von Hippel z University of Texas, podobnie jak Brazylijczycy S.O. Kepler z Universidade Federal de Rio Grande dol Sul i Antonio Kanaan z Universidade Federal de Santa Catarina.

Kiedy gwiazda taka, jak Słońce zużyje swoje zapasy wodoru, jej zewnętrzne warstwy rozszerzają się i gwiazda wchodzi w stadium czerwonego olbrzyma. Kiedy Słońce zostanie czerwonym olbrzymem, jego rozmiary zwiększą się tak znacznie, że pochłonie Merkurego, Wenus i prawie sięgnie orbity Ziemi. Następnie Słońce odrzuci swoje zewnętrzne warstwy i przez następne kilka tysięcy lat będzie piękną mgławicą planetarną. Jądro Słońca będzie wtedy małą, stygnącą i coraz słabiej świecącą gwiazdą o rozmiarach mniej więcej Ziemi. Lecz co ważniejsze, dookoła tego Słońca nadal będą krążyły zewnętrzne planety dzisiejszego Układu Słonecznego.

W momencie, gdy układ planetarny podobny do naszego osiągnie ten stan, zespół Wingeta jest w stanie go wykryć. Ich sposób opiera się na ponad trzydziestoletniej historii badań zmienności białych karłów. We wczesnych latach 80. astronomowie z University of Texas odkryli, że niektóre białe karły pulsują, czyli okresowo zmieniają swoją jasność. Nieco później Winget i jego współpracownicy wykazali, że okres zmienności wielu takich pulsujących białych karłów (Pulsating White Dwarfs – PWDs) jest tak stabilny, że lepiej nadaje się do pomiaru czasu niż zegary atomowe a nawet większość pulsarów.

Ta pulsacja to klucz do wykrywania planet. Planeta obiegająca PWD będzie wpływać na obserwowaną częstotliwość, z jaką dany karzeł zmienia jasność. Ponieważ układ gwiazda-planeta krąży wokół wspólnego środka masy, obiegająca karła planeta będzie troszeczkę „ciągnąć” go za sobą. Zmiany odległości między gwiazdą a Ziemią przełożą się na zmianę czasu, jaki światło potrzebuje na dotarcie do nas. Ponieważ PWD pulsują bardzo regularnie, nawet drobne zmiany zostaną zauważone i na ich podstawie astronomowie będą w stanie obliczyć rodzaj planety, krążącej wokół PWD i jej niektóre właściwości. Metoda ta jest podobna do zastosowanej przy odkryciu tak zwanych planet pulsarowych (więcej o planetach pulsarowych przeczytasz Astronomowie ważą planety wokół pulsara„>tutaj). Różnica polega na tym, że w tym drugim przypadku astronomowie nie przypuszczają, by planety wokół pulsarów powstawały wraz z gwiazdą, wokół której krążą, a raczej są pozostałością po wybuchu tej gwiazdy jako supernowej.

„Chcemy skupić się na gwiazdach, które początkowo miały masy od jednej do czterech mas Słońca. Jesteśmy w stanie wykryć planety w odległości od dwóch do dwudziestu jednostek astronomicznych. Oznacza to, że w niektórych przypadkach będziemy szukać planet w strefie wokół gwiazdy, która teoretycznie mogła i wciąż może być zamieszkana przez podobne nam istoty„, mówi Winget. „Szczerze mówiąc wykrycie Jowisza w odległości Jowisza od Słońca jest przy tym sposobie łatwe. Bułka z masłem.„.

Łatwe, ale nie szybkie. Zewnętrzne planety krążące wokół gwiazd mają okresy obiegu rzędu dziesięciu lat. Oznacza to, że minie wiele czasu, zanim będziemy mogli z całą pewnością stwierdzić że wokół danego białego karła krąży planeta.

„Trzeba obserwować układ przez cały okres obiegu planety„, wyjaśnia Winget. „Pół okresu, albo nawet jedna trzecia da nam tylko wskazówkę, że coś się tam dzieje. Niestety, w przypadku Jowisza, połowa okresu to wciąż sześć lat. Wykrycie w naszą metodą Jowisza w odległości Urana od Słońca jest jeszcze łatwiejsze, ale wymaga jeszcze więcej czasu„.

Na potrzeby projektu Nather i Mukadam skonstruowali specjalne urządzenie, zwane Argos. Argos mierzy natężenie światła dochodzącego do nas od gwiazdy. Jest to w uproszczeniu zwykły fotometr CCD, który zlicza padające na światłoczułą płytkę fotony i tworzy cyfrowy obraz. Argos został specjalnie przystosowany do dwuipółmetrowego teleskopu Otto Struve Telescope, którym dysponuje McDonald Observatory. Kopie Argosa są obecnie budowane w innych obserwatoriach na całym świecie.

Równocześnie postępują badania z użyciem prototypu Argosa na Struve Telescope. Na tapecie jest 22 białych karłów, z których większość znaleziono poprzez Sloan Digital Sky Survey (link do oficjalnej strony projektu znajduje się tutaj).

Jeśli zespół znajduje obiecującego kandydata na pozasłoneczny układ planetarny, kierują na niego obiektyw 9,2-metrowego Hobby-Eberly Telescope (HET), również na wyposażeniu McDonald Observatory. „Jeśli znajdujemy duże planety krążące w dużej odległości od macierzystej gwiazdy, jest duża szansa, że bliżej są mniejsze planety. W takim wypadku wytacza się najcięższą artylerię, jaką ma się na składzie. HET pozwoli do dokładniejsze pomiary częstotliwości pulsacji PWD, a przez to wykrycie mniejszych planet„, Twierdzi Winget.

Metoda opracowana w University of Texas umożliwi poszukiwanie planet wokół gwiazd, które wymykały się dotychczasowym metodom badawczym, w szczególności metodzie spektrograficznej, jak dotąd najskuteczniejszej. Mniej więcej połowa PWD, które zespół Wingeta ma zamiar obserwować to gwiazdy o początkowych masach w granicy dwóch mas Słońca, a w stosunku do tych metody spektrograficzne pozostają bezsilne. Dlatego projekt Wingeta ma kluczowe znaczenie dla obierania celów planowanych przez NASA misji Space Interferometry Mission, Terrestrial Planet Finder i Kepler Spacecraft. Wszystkie one mają skupić się na poszukiwaniu planet podobnych do Ziemi.

Program badawczy Wingeta jest finansowany z grantów NASA oraz Advanced Research Project stanu Texas. Dzięki środkom z Texas Higher Education Agency dwaj nauczyciele ze szkół średnich, Donna Slaughter i Chris Cotter) zostali bezpośrednio włączeni w program. Planowane jest rozszerzenie udziału nauczycieli w przedsięwzięciu, a następnie popularyzowanie go poprzez transmisje z ośrodków badawczych wprost do sal lekcyjnych, wizyty naukowców i specjalnie przygotowane zajęcia. Cotter i inni nauczyciele w Lanier High School pracują nad wprowadzeniem tego pomysłu w życie.