Exoplanéty - nekonečná mnohotvárnosť vesmíru

Teoreticky sme ich existenciu predpovedali už dávno, priame dôkazy však chýbali. Našťastie v posledných rokoch sa darí objavovať čoraz viac exoplanét, medzi nimi aj také, čo sa podobajú Zemi.

Astronómovia už minimálne od nasadenia spektrografov vedia, že miliardy hviezd, ktoré pozorujeme vo vesmíre, sú slnká často mnohonásobne väčšie, ako to naše. A keďže vznikali za pôsobenia rovnakých fyzikálnych zákonov, zmysel dával aj predpoklad, že sa okolo mnohých hviezd vytvorili aj planetárne sústavy. Lenže bola to len teória, dôkazy chýbali.

Počet planét v našej galaxii, ako aj v celom vesmíre zrejme niekoľkonásobne prevyšuje počet hviezd – tých je len v našej Mliečnej ceste viac ako 100 miliárd. Predstavuje to slušnú základňu pre existenciu planét v tzv. obývateľnej zóne. Tam teplota na povrchu planéty umožňuje existenciu vody v kvapalnom stave, a tým aj podmienky pre život v nám známej podobe.

Štvrťstoročia na love

Problém je, že pozorovať planéty aj pri veľmi blízkych hviezdach je veľmi obtiažne a pri danom stave techniky to bolo donedávna nemožné. Ešte pred štvrťstoročím sme nemali potvrdenú ani jedinú exoplanétu, teda planétu nachádzajúcu sa v blízkosti inej hviezdy mimo slnečnej sústavy.

Prvú exoplanétu, vlastne hneď dve sa podarilo objaviť až v roku 1992. Planéty s hmotnosťou asi štvornásobku Zeme obiehajú okolo pulzaru PSR B1257+12 v súhvezdí Panny. Od Zeme sú vzdialené zhruba 1 000 svetelných rokov.

Keďže pulzar je pozostatkom po explózii supernovy, je trochu zvláštne, že sa tam planéty vo vzdialenosti 54 a 69 miliónov kilometrov od materskej hviezdy vôbec vyskytujú. Pulzar ani nie je hviezdou podobnou nášmu Slnku.

Prvá exoplanéta v sústave hviezdy podobnej Slnku bola objavená až o tri roky neskôr. Vedci zo Ženevského observatória objavili planétu veľkosti polovice Jupitera, ktorá dostala pomenovanie 51 Pegasi b.

Rok na tejto planéte trvá len 4 dni a o podmienkach pre život na nej je zbytočné uvažovať. Aby sme boli v obraze, ani dnes, keď máme k dispozícii neporovnateľne väčšie teleskopy a špeciálne prístroje, nedokážeme exoplanéty detailne pozorovať tak, ako môžeme pozorovať napríklad Mars a iné planéty slnečnej sústavy.

Hoci už bolo získaných niekoľko unikátnych priamych záberov exoplanét, stále sú to len nepatrné rozmazané škvrnky, z ktorých optickou analýzou nevytiahneme mnoho informácií.

Jednou príčinou je obrovská vzdialenosť exoplanét od Zeme, ktorá je neporovnateľná s mierkou vzdialeností v slnečnej sústave. Pritom napríklad aj Pluto pozorované Hubblovým teleskopom bolo len zahmlenou rozmazanou machuľou a detailné zábery priniesla až sonda New Horizons, ktorá okolo Pluta a jeho mesiacov preletela v júli 2015.

Druhým dôvodom je malá relatívna vzdialenosť od materskej hviezdy, ktorá slabý odrazený svit planéty pohltí. Väčšina pozorovaní exoplanét preto prebieha nepriamo. Vedci ich objavujú na základe takmer nemerateľných zmien svetla hviezd, ku ktorým dochádza, keď planéta prechádza z pohľadu pozorovateľa popred hviezdu.

Logicky boli medzi prvými objavenými exoplanétami najviac zastúpení obri veľkosti Jupitera a väčší, ale čoraz častejšie sa darí identifikovať aj menšie kamenné planéty.

Astronómom a ich vynaliezavosti v tejto súvislosti patrí veľký obdiv. Hoci aj hviezdy už stáročia skúmajú len na diaľku a na základe ich vonkajších prejavov, môžu ich vidieť na vlastné oči. Naproti tomu hľadanie exoplanét nehovoriac o skúmaní ich vlastností silne pripomína tvorivú bielu mágiu.

Finty hľadačov cudzích svetov

Prvé priame pozorovanie exoplanéty sa podarilo vedcom v observatóriu Gemini (Blíženci), ktoré v skutočnosti pozostáva z dvoch observatórií – Gemini South v Cerro Pachón leží v čílskych Andách vo výške 2 737 m.n.m. a Gemini North na Mauna Kea na Havaji v nadmorskej výške 4 214 m.n.m.

Obidva teleskopy majú priemer zrkadla 8,1 metrov. Po desaťročnom vývoji astronómovia nainštalovali na teleskop Gemini South špeciálny prístroj Gemini Planet Imager, pomocou ktorého sa im podarilo identifikovať prvú exoplanétu Beta Pictoris b.

Záber prvej exoplanéty Beta Pictoris b pomocou prístroja Gemini Planet Imager. Svetlo materskej hviezdy Beta Pictoris vstrede je blokované.

Ako vidieť aj z legendárneho záberu, priame optické pozorovanie veľa detailov exoplanét neprináša, ale astronómovia sa naučili vyťažiť maximum aj z minima informácií.

Pokročilé meracie metódy dokážu zachytiť nepatrné svetlo exoplanét a ich gravitačné pôsobenie na materskú hviezdu spôsobuje odchýlky v pohybe hviezd, čo zas vyvoláva posun čiar v spektre svetla hviezdy. Môžu ho detekovať citlivé spektrografy.

Pri vhodnom sklone obežnej dráhy sa zas dá pozorovať tranzit exoplanéty popred hviezdu a počas neho vieme určiť priemer planéty a vypočítať jej strednú hustotu.

Pri prechode svetla hviezdy cez atmosféru planéty tiež dokážeme zhruba určiť jej zloženie. Tranzit exoplanéty spôsobí zoslabenie svetla materskej hviezdy, čo je jav pozorovateľný aj menšími ďalekohľadmi.

Iné metódy vrátane priameho pozorovania naopak vyžadujú čo najväčšie teleskopy a najnáročnejšie prístroje. Aj preto sa lovcom exoplanét stal i teleskop VLT (Very Large Telescope). VLT je postavený v púšti Atacama v Chile a pozostáva zo štyroch veľkých zrkadlových ďalekohľadov s priemerom primárnych zrkadiel 8,2 metra a troch pomocných zrkadiel s priemerom 1,8 metra.

Prvý záber exoplanéty sa podarilo pomocou teleskopu VLT získať už v apríli 2004. Išlo o planetárneho obra 2M1207b s 5x vyššou hmotnosťou, ako Jupiter, obiehajúceho vo vzdialenosti 55 astronomických jednotiek okolo hnedého trpaslíka.

Veľké nádeje vedci vkladajú do budovaného teleskopu E-ELT (skratka znamená „Európsky extra veľký teleskop“) s priemerom zrkadla 39 metrov, ktorý sa stavia v Chile na Cerro Armazones.  E-ELT umožní fotografovať aj exoplanéty veľkosti Zeme a určite rozmnoží počet objavených planét v zóne obývateľnosti.

V súčasnosti k najúspešnejším lovcom exoplanét, predovšetkým tých menších, patrí spektrograf HARPS nainštalovaný na 3,6 metrovom teleskope Európskeho južného observatória v čílskom La Silla. Na základe analýzy dát získaných zo spektrografu HARPS vedci z Univerzity v New South Wales v decembri 2015 identifikovali jednu z najbližších potenciálne obývateľných exoplanét.

Planéta označená ako Wolf 1061c má hmotnosť štyroch Zemí a je jednou z trojice planét objavených pri hviezde Wolf 1061. Od Zeme je vzdialená len 14 svetelných rokov. Ani tento rekord však nevydržal dlho.

V auguste 2016 astronómovia objavili pomocou spektrografov HARPS a UVES exoplanétu aj pri našej najbližšej hviezde Proxima Centauri, označovanej aj ako Alfa Centauri C.

Exoplanéta bola objavená pomocou nepriamej metódy merania radiálnych rýchlostí, teda vplyvu planéty na materskú hviezdu. Hoci jej (odhadovaná) hmotnosť je len 1,1 – 1,27 hmotnosti Zeme, rozhodne nie je vhodná pre život.

Teplota na povrchu planéty Proxima b dosahuje len 234 Kelvinov a rok trvá 11,2 dňa. Proxima Centauri je súčasťou trojhviezdy Alfa Centauri, pričom exoplanéta bola objavená aj pri ďalšej z hviezd tejto sústavy a bola označená ako Alfa Centauri Bb. Taktiež má ísť o planétu zhruba veľkosti Zeme.

K hviezdnej sústave Alfa Centauri chce tandem fyzika Stephena Hawkinga a ruského miliardára Jurija Milnera vyslať medzihviezdnu sondu. Sonda projektu Breakthrough Starshot poháňaná lasermi zo Zeme by vraj mohla dosiahnuť až pätinovú rýchlosť svetla (asi 60 000 km/s) a k susednej hviezde doraziť rádovo za dve desaťročia. Tento projekt má však viac otázok, ako odpovedí. Zostáva len dúfať, že sa technické oriešky podarí rozlúsknuť.

Exoplanéty v potenciálne obývateľnej zóne – kandidáti na „Zem 2.0“

Pozn.:  ESI index –  Earth Similarity Index, index podobnosti Zemi, ME – hmotnosť Zeme, ly – svetelný rok

Naše obzory pri objavovaní cudzích svetov sa každopádne čoraz viac otvárajú. Veľké nádeje sa vkladajú do nových prístrojov, akými sú detektor SPHERE a spektrograf ESPRESSO, ktorý má byť ešte výkonnejší, ako súčasný rekordér v hľadaní exoplanét spektrograf HARPS. Pomoc príde aj z vesmíru, koncom roku sa plánujú vypustiť do kozmu dôležité prístroje NASA, aj ESA.

Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) je satelit, ktorý NASA vypustí na vysokú obežnú dráhu v decembri 2017. Podobne ako vesmírny ďalekohľad Kepler, aj TESS bude pátrať na oblohe po exoplanétach. Namiesto skúmania malých segmentov oblohy však použije kameru so širokým záberom.

Sústredí sa na malé kamenné planéty podobné Zemi obiehajúce najbližšie a najjasnejšie hviezdy hlavnej postupnosti. Identifikované exoplanéty potom budú bližšie skúmané pomocou vesmírneho teleskopu James Webb, ktorý bude vypustený na obežnú dráhu v roku 2018.

Zahanbiť sa nedá ani Európska vesmírna agentúra ESA, ktorá plánuje v decembri tohto roku vypustiť do kozmu lovca exoplanét. CHaracterising ExOPlanet Satellite (CHEOPS) je spoločný projekt ESA a Švajčiarskej vesmírnej kancelárie. Bude merať pokles žiarenia blízkych jasných hviezd, čo môže byť indikátorom existencie planét na ich obežnej dráhe.

Hľadá sa Zem 2.0

Keďže exoplanéty dnešnými technickými prostriedkami nedokážeme detailne vidieť a tých pár potvrdených záberov sú niekoľkopixlové svetelné škvrnky, o ich skutočnom vzhľade môžeme len špekulovať.

Všetky krásne ilustrácie, ktoré sa v magazínoch objavujú v článkoch o novoobjavených exoplanétach, sú len fikcie a umelecké predstavy.

Vieme si síce predstaviť, ako asi môže pri pohľade z obežnej dráhy vyzerať plynný obor typu Jupitera, ale pri kamenných planétach ide o čistú fikciu a do veľkej miery aj „varenie z vody“.

Skutočnosť môže byť totiž diametrálne odlišná od našej predstavy, dokonca až tak, že si to ani nevieme predstaviť. Ale práve v tejto rozmanitosti je dokonalosť a krása vesmíru.

Pre príklady nemusíme chodiť ďaleko. Podľa súčasných kritérií sa v obývateľnej zóne našej slnečnej sústavy popri Zemi nachádza aj Venuša a Mars. V oboch prípadoch ide o kamenné planéty s atmosférou.

No kým na Marse by človek v sparťanských podmienkach a v skafandroch dokázal zrejme prežiť a pod jeho povrchom nie je vylúčený ani miestny mikrobiologický život, na Venuši panuje dokonale sterilné horúce peklo. A to hlavne kvôli extrémnemu skleníkovému efektu.

 

Hmotnosť planéty, prítomnosť atmosféry a primeraná intenzita slnečného žiarenia preto nemusia byť rozhodujúcimi indikátormi pre obývateľnosť planéty, prípadne pre prítomnosť života na nej. Earth Similarity Index preto treba brať s nutnou rezervou.

Existenciu priaznivých podmienok pre život pozemského typu totiž okrem prítomnosti tekutej vody predurčuje aj striedanie dňa a noci a prítomnosť magnetického poľa, ktoré odtieni väčšinu nabitých častíc kozmického vetra.

S tým súvisí existencia kovového jadra a otáčanie planéty. Pre biodiverzitu na Zemi sú pritom dôležité aj tektonické pochody spôsobujúce vulkanickú činnosť a pomalý pohyb tektonických platní.

Takéto detaily exoplanét pri súčasnej úrovni prístrojového vybavenia nedokážeme skúmať, ale vývoj napreduje. Je pravdepodobné, že nové teleskopy, špecializované vesmírne sondy a pokrok v astronómii v budúcich rokoch opäť o čosi zdvihnú oponu. Už teleskop E-ELT by údajne mohol pomôcť pri odhaľovaní biosféry pri niektorých exoplanétach.