To trudna noc dla astronomii w Obserwatorium Licka w pobliżu San Jose w Kalifornii. Światła Doliny Krzemowej migoczą poniżej 4200 stóp szczytu Mount Hamilton, zmywając najsłabsze gwiazdy. Chmury zbliżają się z północy z groźbą deszczu. Na szczycie góry znajduje się dziesięć kopuł teleskopowych, a ja idę stromym podjazdem do największej. Rozlega się niesamowity dźwięk przypominający luźną migawkę jęczącą na wietrze. To sama kopuła, skrzypiąca podczas obracania się, aby utrzymać otwór w środku nad wolno poruszającym się teleskopem w środku.
powiązana zawartość
- Elementy życia mogą pochodzić z kosmosu
- Co oznacza odkrycie setek nowych planet dla astronomii i filozofii
- Oto Geminidy
Chris McCarthy, astronom z San Francisco State University (SFSU), wita mnie przy bocznych drzwiach. Ubrany w małe światło przymocowane do głowy, prowadzi mnie po metalowych schodach przez wnętrze kopuły, utrzymywał atramentową ciemność podczas nocnych obserwacji i do ciepłego pokoju kontrolnego. Tam Howard Isaacson, starszy z SFSU, i Keith Baker, technik teleskopów, siedzą przy ekranach komputerów pośród grubych wiązek kabli i stojaków z przestarzałą elektroniką. McCarthy i Isaacson rozmawiają i popijają gorącą herbatę, podczas gdy Baker używa myszy komputerowej do regulacji teleskopu. Przed świtem astronomowie zgromadzą światło z kilkudziesięciu gwiazd. Mają nadzieję, że niektóre gwiazdy kryją nowe światy.
W erze łazików eksplorujących Mars i kosmiczne teleskopy robiące olśniewające zdjęcia kosmosu zza mroku ziemskiej atmosfery, rutyna w Lick - wskazując 47-letniego teleskopu gwiazdę za gwiazdą godzinami - wydaje się raczej osobliwy. Jednak ci astronomowie są członkami zespołu, który jest najlepszy w branży poszukiwań planet. Używając teleskopów na Hawajach, w Chile i Australii, a także tych w Obserwatorium Licka, do monitorowania około 2000 gwiazd - większość z nich cicha i w średnim wieku jak nasze słońce i wystarczająco blisko Ziemi, aby duże teleskopy miały wyraźny widok na ich ruchy - zespół odkrył około dwóch trzecich z około 200 planet odkrytych dotychczas poza naszym Układem Słonecznym. (Niedawny zgiełk na temat definiowania planety w naszym Układzie Słonecznym nie zagroził statusowi planet odległych obiektów.)
Niektóre z nowo odkrytych planet pozasłonecznych lub egzoplanet, jak się je nazywa, to gigantyczne światy wielkości Jowisza, które krążą wokół swoich gwiazd na ciasnych, prażących orbitach, znacznie bliżej niż orbita Merkurego wokół Słońca. Inni zbliżają się do swoich gwiazd, a następnie huśtają się daleko na jajowate ścieżki, rozrzucając mniejsze ciała podczas podróży. Niektóre nowonarodzone planety rzucają swoje planety z rodzeństwem na ognisty los lub w głąb przestrzeni.
Nigdzie nie widać - a przynajmniej jeszcze nie - układu słonecznego takiego jak nasz, z planetami stałymi w pobliżu Słońca i planetami gigantycznymi na bardziej uporządkowanych procesjach. Taki system jest najbardziej prawdopodobnym miejscem, w którym skalista planeta, taka jak Ziemia, może przetrwać na stabilnej orbicie przez miliardy lat. Być może jest to parafialne, ale astronomowie poszukujący śladów życia w innym miejscu w kosmosie - zadanie, które ożywia poszukiwania egzoplanet - szukają planet i układów słonecznych podobnych do naszego, z planetą, która nie jest ani zbyt daleko, ani zbyt blisko gwiazdy i być może z wodą na powierzchni. Zespół z Kalifornii twierdzi, że znalezienie planet podobnych do Ziemi to tylko kwestia czasu.
W końcu badanie egzoplanet jest wciąż bardzo nowe. Wcześniej niż dziesięć lat temu astronomowie doszli do wniosku, że nie będzie można ich zobaczyć w świetle blasku ich gwiazd. Tak więc kilku astronomów próbowało znaleźć egzoplanety, szukając gwiazd, które wydawały się kołysać, przyciągane grawitacją niewidzialnych ciał krążących wokół nich. Ale większość ekspertów ma wątpliwości, czy takie podejście zadziała. „Ludzie myśleli, że poszukiwanie planet jest bezwartościowe” - mówi McCarthy. „Był to jeden krok ponad poszukiwanie inteligencji pozaziemskiej, a był to jeden krok ponad uprowadzeniem przez kosmitów. Teraz jest to jeden z największych osiągnięć naukowych XX wieku”.
Pierwsza egzoplaneta odkryta w 1995 r. Przez Michela Mayora i Didiera Queloza z Uniwersytetu Genewskiego w Szwajcarii była gigantycznym obiektem o wielkości mniejszej niż Jowisz, wirującym wokół gwiazdy podobnej do naszego Słońca na szalonej orbicie co cztery dni. Gwiazda w gwiazdozbiorze Pegaza znajduje się w odległości około 50 lat świetlnych. Więcej „gorących Jowiszów” lub gigantycznych gazowych planet krążących wokół gwiazd szybko wypłynęło na powierzchnię, choćby dlatego, że te duże ciała powodują najbardziej wyraźne wahania na ich macierzystych gwiazdach.
Chociaż astronomowie nie obserwowali tych planet bezpośrednio, wywnioskowali, że są gazowi ze względu na swoją wielkość i to, co wiadomo o formowaniu się planet. Planeta zlewa się z gruzu w wielkich dyskach pyłu i gazu otaczających gwiazdy. Jeśli osiągnie pewien rozmiar - od 10 do 15 razy większy niż Ziemia - wywiera siłę przyciągania grawitacyjnego i zasysa tyle gazu, że staje się gazowym gigantem.
W miarę udoskonalania technik pomiarowych astronomowie rozpoznawali stopniowo mniejsze planety - najpierw wielkości Saturna, a następnie Neptuna i Urana. Po kilku latach obserwowania egzoplanet naukowcy zauważyli obiecujący trend: wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów, które mogli wykryć, było ich coraz więcej. Proces budowania planet wydaje się faworyzować najmłodszych, a nie tytanów.
W ciągu ostatniego półtora roku kalifornijski zespół i grupa pod przewodnictwem naukowców z Paryża odkryli najmniejsze egzoplanety, jakie dotąd widzieliśmy wokół gwiazd podobnych do Słońca: obie planety były zaledwie pięć do ośmiu mas Ziemi. Astronomowie twierdzą, że takie światy mogą składać się głównie z metalu i skały, być może z gęstą atmosferą. Egzoplaneta znaleziona przez astronoma Geoffa Marcy'ego z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i jej współpracownikach znajduje się blisko swojej gwiazdy i prawdopodobnie jest zbyt gorąca, aby na jej powierzchni mogła znajdować się ciecz. Druga planeta krąży daleko od słabej gwiazdy i może być tak zimna jak Pluton. Jednak wiedza, że nie wszystkie egzoplanety są gigantycznymi kulami gazu, była punktem zwrotnym w tej dziedzinie. „To pierwsze prawdopodobne skaliste światy” - mówi Marcy. „Po raz pierwszy zaczynamy odkrywać naszych planetarnych krewnych wśród gwiazd”.
Jak dotąd najbardziej zaskakującą cechą egzoplanet jest, jak powiedział Marcy, pewnego dnia w jego biurze na kampusie w Berkeley, ich niezwykłe orbity. Na klasycznym schemacie naszego Układu Słonecznego „widok z góry” planety (z wyjątkiem dziwnego Plutona, niedawno zdegradowanego do planety karłowatej) kreślą wokół Słońca ładne koncentryczne okręgi. Marcy sięga za schludne biurko i wyjmuje orrery, mechaniczny model naszego układu słonecznego. Metalowe kulki na końcach wrzecionowatych ramion obracają się wokół słońca. „Wszyscy spodziewaliśmy się zobaczyć te okrągłe orbity fonograficzne” - mówi Marcy. „Tak mówią podręczniki o systemach planetarnych. Kiedy więc po raz pierwszy zaczęliśmy widzieć ekscentryczne orbity w 1996 r., Ludzie mówili, że nie mogą być planetami. Okazali się jednak zwiastunem przyszłych wydarzeń”.
Tuż po północy w Obserwatorium Lick astronomowie robią duże postępy na nocnej liście kontrolnej 40 gwiazd. Ich cele zwykle nie są głównymi gwiazdami konstelacji, ale mimo to wiele z nich jest wystarczająco jasnych, aby zobaczyć gołym okiem. „Kiedy wychodzę z przyjaciółmi, mogę wskazać kilka gwiazd, o których wiemy, że mają planety” - mówi Howard Isaacson. Jedna szczególnie jasna gwiazda w gwiazdozbiorze Andromedy ma trzy.
McCarthy oferuje odkryć sekret sukcesu zespołu w szpiegowaniu egzoplanet. Wchodzimy do ciemnej kopuły i mijamy teleskop z jego szerokim na dziesięć stóp lustrem, które zbiera i skupia słabe promienie światła z odległych gwiazd. Widziałem masywny teleskop podczas dziennych wycieczek, ale w nocy wygląda on znacznie bardziej żywotnie, jego grube metalowe rozpórki są ustawione pod kątem jak nogi wysokiej modliszki, która patrzy w niebo. McCarthy prowadzi mnie do ciasnego pokoju pod podłogą kopuły, gdzie światło gwiazd skoncentrowane przez lustro teleskopu wpada do cylindra mniejszego niż puszka napoju gazowanego. Jest owinięty niebieską pianką, ze szkłem na obu końcach. W środku wygląda pusto, ale powiedziano mi, że jest pełen jodu gazowego podgrzanego do 122 stopni Fahrenheita.
Ta komórka jodu została opracowana przez Marcy i jego byłego studenta Paula Butlera, obecnie astronoma z Carnegie Institution w Waszyngtonie, DC Kiedy światło gwiazdy przechodzi przez gorący gaz, cząsteczki jodu absorbują pewne długości fal światła. Pozostałe światło rozprasza się w tęczę za pomocą instrumentu, który działa jak pryzmat. Ponieważ jod odjął cząstki światła, ciemne linie są rozproszone w całym spektrum jak długi kod kreskowy w supermarkecie. Każda gwiazda ma swój własny charakterystyczny dla fal długości światła, które zostały pochłonięte przez atmosferę gwiazdy. Te długości fal przesuwają się nieznacznie, gdy gwiazda porusza się w naszą stronę lub od niej. Astronomowie porównują sygnaturę ciemnych linii gwiazdy ze stabilnymi liniami jodu od jednej nocy do następnej oraz z miesiąca na miesiąc i z roku na rok. Ponieważ jest tak wiele cienkich linii, można wykryć nawet drobne przesunięcia. „To tak, jakby podnieść gwiazdę do kawałka papieru milimetrowego” - mówi McCarthy. „Linie jodu nigdy się nie poruszają. Jeśli więc gwiazda się porusza, używamy linii jodu jako linijki, w oparciu o którą można zmierzyć ten ruch”.
W przypadku czegoś tak dużego jak gwiazda jedynymi czynnikami, które mogą powodować regularne powtarzające się przesunięcia, są holowniki grawitacyjne innej gwiazdy - którą astronomowie mogliby łatwo wykryć dzięki własnemu sygnaturowi świetlnemu gwiazdy i masie - lub ukrytej planecie krążącej wokół dookoła tego. Komórka jodu może śledzić gwiazdę poruszającą się z prędkością zaledwie kilku stóp na sekundę - ludzką prędkością chodzenia - po ogromnej pustce trylionów mil przestrzeni. Ta wrażliwość powoduje, że wiele zespołów polujących na planety korzysta z komórki jodu.
Zaglądam do środka i widzę pomarszczoną folię i druty grzejne wijące się przez niebieską pianę. Wygląda na to, że paski taśmy izolacyjnej utrzymują części razem. Po powrocie do pokoju kontrolnego McCarthy chichocze i wskazuje hasło na dresowej koszuli Keitha Bakera: „Kiedy ciężko jest iść, trudna jest taśma klejąca”.
Im bardziej dziwnie ukształtowane i dziwnie rozmieszczone orbity znajdują astronomowie, tym bardziej zdają sobie sprawę, że naturalny proces formowania się planet powoduje chaos i nieład. „Stało się jasne, że nasz układ słoneczny, z jego piękną dynamiką i architekturą, był znacznie bardziej stabilny niż wokół innych gwiazd” - mówi teoretyczny astrofizyk Greg Laughlin z University of California w Santa Cruz, który współpracuje z zespołem Marcy i Butlera. Próbowanie dowiedzieć się, w jaki sposób nowe planety zdobyły dziwne ścieżki, było trudnym zadaniem. Laughlin projektuje komputerowe modele orbit egzoplanet, aby spróbować odtworzyć historie planet i przewidzieć ich losy. Koncentruje się na roli grawitacji w siejeniu spustoszenia. Na przykład, gdy duża planeta porusza się na ekscentrycznej orbicie, jej grawitacja może działać jak proca i wyrzucać mniejsze pobliskie światy. „W niektórych z tych systemów” - mówi Laughlin - „jeśli umieścisz planetę podobną do Ziemi na orbicie mieszkalnej, można ją dosłownie wyrzucić w ciągu kilku tygodni”.
Jak mówią Laughlin i jego koledzy, interakcje między planetami mogą być powszechne w kosmosie. Wiadomo, że prawie 20 gwiazd ma więcej niż jedną planetę krążącą wokół nich, a niektóre z tych egzoplanet rodzeństwa są zamknięte w tańcu zwanym „rezonansem”. Na przykład jedna planeta krążąca wokół gwiazdy o nazwie Gliese 876 potrzebuje 30 dni na orbitę, podczas gdy inna planeta zajmuje prawie dokładnie dwa razy więcej. Obliczenia Laughlina pokazują, że ich wzajemne przyciąganie grawitacyjne zachowuje stabilny, podobny do zegara układ między dwiema planetami.
Rezonanse są silnymi wskazówkami, że planety migrowały daleko od swoich miejsc narodzin. Dysk pyłu i gazu, który tworzy planety embrionalne, ma swoją własną grawitację. Dysk ciągnie się po planetach, stopniowo przyciągając je do wewnątrz w kierunku gwiazdy lub, w niektórych przypadkach, wypychając je na zewnątrz. Ponieważ migracja trwa setki tysięcy lat, niektóre egzoplanety zostają uwięzione w rezonansach z sąsiadami. Kiedy duże planety znajdują się w bliskich kwartałach, obracają się nawzajem i tworzą ekscentryczne orbity widoczne przez zespół. Przynajmniej takie są obecnie najlepsze przypuszczenia.
Inne planety nie są długo na ten świat. Modele komputerowe Laughlina sugerują, że niektóre planety najbliższe ich gwiazdom spadną na nie, gdy bardziej odległe planety będą przelatywały na mniejsze orbity, być może w ciągu setek tysięcy lat. Badania odległych układów słonecznych wywołały fascynujący scenariusz dotyczący naszego własnego układu słonecznego. Niektórzy astronomowie twierdzą, że Wenus, Ziemia i Mars są planetami „drugiej generacji”, następcami wcześniejszych ciał, które urodziły się bliżej Słońca i migrowały do wewnątrz aż do ich zużycia.
Czy cały obserwowany chaos we wszechświecie wywołuje tragiczne konsekwencje dla małych skalistych planet? Wcale nie, mówi Laughlin. Technika pomiaru drgań tam i z powrotem gwiazd, choć tak wrażliwa, musiałaby być około dziesięć razy drobniejsza, aby odkryć obiekty wielkości Ziemi. Ale teleskopy satelitarne planowane do wystrzelenia w ciągu najbliższych kilku lat mogą być w stanie wykryć „cienie” obcych planet, gdy małe planety przelatują przed ich gwiazdami. Laughlin przewiduje, że satelity znajdą takie ciała w tłumach, nawet wokół gwiazd, w których nie było jeszcze żadnych dużych planet. „Jest bardzo prawdopodobne, że gwiazdom podobnym do Słońca towarzyszą planety ziemskie”, mówi. „Moim intuicyjnym przeczuciem jest to, że nasz układ słoneczny wcale nie jest rzadki”.
Geoff Marcy z Berkeley zgadza się, ponieważ twierdzi, że każda gwiazda rodzi się z wystarczającą ilością surowca, aby stworzyć wiele planet. Mówi, że powinno się formować wiele stałych planet, takich jak Ziemia, gdy pył zlewa się w otoczaki, które zderzają się raz po raz, tworząc asteroidy, księżyce i planety. „Może Jowiszowie są rzadcy”, mówi, „ale skaliste planety prawie na pewno są powszechne. Po prostu nie rozumiem, w jaki sposób zbudowanie Ziemi może być trudne”.
Mała egzoplaneta wykryta niedawno przez zespół Marcy i Butlera popiera ten pogląd. Znaleźli go podczas monitorowania dwóch planet rezonansowych w systemie Gliese 876, który jest oddalony o 15 lat świetlnych. Coś wywierało subtelne dodatkowe holowanie na orbitach planet, a najlepszym wytłumaczeniem tego jest trzecia planeta, może 7, 5 razy masywniejsza niż Ziemia. Biorąc pod uwagę jego rozmiar, planeta jest prawdopodobnie skalista, podobnie jak Ziemia, a nie gazowy gigant. Odkrycie było ważnym krokiem w kierunku odpowiedzi na pytanie, które wszyscy myślą: czy możemy znaleźć potencjalne siedliska życia w innym miejscu?
Astronomowie mieli nadzieję, że na to pytanie odpowie misja satelitarna NASA o nazwie Terrestrial Planet Finder. Miał wykraczać poza wykrywanie egzoplanet: wykonywał zdjęcia najbardziej kuszących egzoplanet i analizował ich atmosferę. Ale na początku tego roku NASA zawiesiła misję, głównie z powodu przekroczenia budżetu stacji kosmicznej i promu kosmicznego oraz oczekiwanego kosztu planu wysłania ludzi na Marsa.
Tymczasem kalifornijski zespół wciąż szuka kolejnych egzoplanet. Za kilka miesięcy Marcy i współpracownik Debra Fischer z SFSU zaczną pracować z nowym teleskopem w Lick o nazwie Automated Planet Finder, który będzie zawierał najbardziej wrażliwy instrument do analizy światła, jaki został stworzony do poszukiwań egzoplanet. Zautomatyzowany instrument będzie skanował około 25 obiecujących gwiazd każdej czystej nocy, z potencjałem wykrywania planet tak małych, jak trzy do pięciu razy większych niż Ziemia. „Będzie to pierwszy na świecie teleskop całkowicie poświęcony polowaniu na planety” - mówi Fischer. „Ludzie sądzili, że znalezienie innych planet, takich jak Ziemia, zajmie misje kosmiczne o wartości miliarda dolarów, ale myślę, że mamy do tego szansę z ziemi”.
Marcy mówi, że znalezienie planet z Ziemi to dopiero początek. „Ostatecznie musimy lecieć z automatycznym statkiem kosmicznym i małym aparatem cyfrowym i wysłać tego małego szczeniaka do Tau Ceti lub Epsilon Eridani” - mówi Marcy, wymieniając dwie pobliskie gwiazdy ze szczególną obietnicą przyjęcia planet podobnych do Ziemi. Są odpowiednio w odległości 12 i 10, 5 lat świetlnych. „Na pewno zajmie to 100 lat [opracowanie technologii], ale jest to wspaniały cel dla naszego gatunku i jest on w naszym zasięgu. Całkowicie wykonalne technologicznie jest uzyskanie pierwszych zdjęć powierzchni planety wokół innej gwiazdy Możemy rozpocząć globalną misję, wysłannika z Ziemi. Wysiłek, który teraz podejmujemy, to po prostu zwiad dla tej misji, ale chwalebnym zwiadem jest dostrzeżenie pierwszych oaz na kosmicznej pustyni ”.
Robert Irion kieruje programem komunikacji naukowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz. Fotograf Peter Menzel jest współautorem Hungry Planet: What the World Eats .
