Imagine NASA care ilustrează exoplanete descoperite. M. Russo și A. Santaguida/NASA-JPL
Pe 6 octombrie 1995, la o întâlnire științifică din Florența, Italia, doi astronomi elvețieni au făcut un anunț care avea să transforme înțelegerea noastră asupra universului dincolo de sistemul nostru solar. Michel Mayor și doctorandul său, Didier Queloz, lucrând la Universitatea din Geneva, au anunțat că au detectat o planetă orbitând o stea, alta decât Soarele.
Steaua în cauză, 51 Pegasi, se află la aproximativ 50 de ani-lumină distanță, în constelația Pegasus. 51 Pegasi b era diferită de orice era scris în manualele despre cum credeam că arată planetele. Era un gigant gazos cu o masă de cel puțin jumătate din cea a lui Jupiter, orbitând steaua în doar patru zile. Era atât de aproape de stea (1/20 din distanța Pământului față de Soare, bine în interiorul orbitei lui Mercur), încât atmosfera planetei ar fi fost ca un cuptor, cu temperaturi depășind 1.000 °C.
Instrumentul din spatele descoperirii era Elodie, un spectroscop instalat cu doi ani înainte la observatorul Haute-Provence din sudul Franței. Conceput de o echipă franco-elvețiană, Elodie despica lumina stelei într-un spectru de culori diferite, dezvăluind un curcubeu gravat cu linii fine negre. Aceste linii pot fi gândite ca un „cod de bare stelar”, oferind detalii despre chimia altor stele.
Ce au observat Mayor și Queloz a fost codul de bare al lui 51 Pegasi alunecând ritmic înainte și înapoi în acest spectru la fiecare 4,23 zile, un semnal clar că steaua era „zgâlțâită” înainte și înapoi de gravitația unui companion nevăzut în mijlocul strălucirii stelei.
După ce au exclus cu migală alte explicații, astronomii au decis în final că variațiile erau cauzate de un gigant gazos într-o orbită apropiată în jurul acestei stele asemănătoare Soarelui. Prima pagină a revistei Nature în care a fost publicat articolul lor purta titlul: „O planetă în Pegasus?”.
Descoperirea a uimit oamenii de știință, iar semnul de întrebare de pe coperta Nature reflecta scepticismul inițial. Iată o presupusă planetă gigantică lângă steaua sa, fără niciun mecanism cunoscut pentru formarea unei lumi ca aceasta într-un astfel de mediu fierbinte.
Deși semnalul a fost confirmat de alte echipe în câteva săptămâni, rezervele privind cauza semnalului au persistat aproape trei ani înainte de a fi excluse definitiv.
Nu numai că 51 Pegasi b a devenit prima planetă descoperită, orbitând o stea asemănătoare Soarelui în afara sistemului nostru solar, dar a reprezentat și un tip complet nou de planetă. Termenul „jupiter fierbinte” a fost inventat mai târziu pentru a descrie astfel de planete.
Această descoperire a deschis porțile. În următorii 30 de ani au fost catalogate peste 6.000 de exoplanete (termenul pentru planetele din afara sistemului nostru solar) și candidate la titlul de exoplanete.
Varietatea lor este uluitoare. Nu numai „jupiteri fierbinți”, ci și ultra-fierbinți, cu o temperatură pe partea zilei depășind 2.000 °C și mișcări de rotație de mai puțin de o zi. Planete care orbitează nu una, ci două stele, ca Tatooine din Star Wars. Stranii planete gazoase mai mari decât Jupiter, dar cu o fracțiune din masa acesteia. Lanțuri de planete mici stâncoase, toate îngrămădite în orbite mici.
Descoperirea lui 51 Pegasi b a declanșat o revoluție, iar în 2019 le-a adus lui Mayor și Queloz un premiu Nobel. Putem acum concluziona că majoritatea stelelor au sisteme planetare. Și totuși, dintre miile de exoplanete găsite, nu am găsit încă un sistem planetar care să semene cu al nostru.
Căutarea unui geamăn al Pământului – o planetă care să semene cu adevărat Pământul în dimensiune, masă și temperatură – continuă să motiveze exploratorii moderni ca noi să găsească mai multe exoplanete.
Expedițiile noastre nu ne duc în voiaje și drumeții pline de riscuri, asemănătoare celor ale exploratorilor legendari ai Pământului din trecut, dar avem ocazia să vizităm observatoare frumoase de pe creste de munți, adesea situate în zone îndepărtate ale lumii.
Suntem membri ai unui consorțiu internațional de vânători de planete care au construit, operează și întrețin spectroscopul Harps-N, montat pe Telescopio Nazionale Galileo de pe frumoasa insulă din Insulele Canare, La Palma. Acest instrument sofisticat ne permite să întrerupem brutal călătoria luminii stelare călătorește cu viteze de 300 de mii de km pe secundă de decenii sau chiar milenii.
Fiecare semnal nou are potențialul să ne lămurească dacă sistemele planetare ca al nostru sunt comune. În fundal zace posibilitatea ca într-o zi să detectăm în final o altă planetă ca Pământul.
Originile studiului exoplanetelor
Până la mijlocul anilor '90, sistemul nostru solar era singurul set de planete cunoscut de umanitate. Fiecare teorie despre cum se formează și evoluează planetele provenea din aceste nouă puncte de date incredibil de apropiate (care s-au redus la opt când Pluto a fost retrogradată în 2006 la nivelul de planetă pitică, după ce Uniunea Astronomică Internațională a convenit asupra unei noi definiții a planetei).
Toate aceste planete se învârt în jurul unei singure stele din cele estimate 1011 (aproximativ 100 de miliarde) stele din galaxia noastră, Calea Lactee – care la rândul ei este una dintre cele 1011 galaxii din univers. Deci, a trage concluzii doar pe baza planetelor din sistemul nostru solar era un pic ca extratereștrii încercând să înțeleagă natura umană, studiind studenții care locuiesc împreună într-o casă. Dar asta nu i-a oprit pe unii dintre cele mai mari minți din istorie să speculeze ce se află dincolo.
Filozoful grec Epicur (341-270 î.Hr.) a scris: „Există un număr infinit de lumi – unele ca această lume, altele deosebite de ea”. Această viziune nu se baza pe observație astronomică, ci pe teoria sa atomistă a filosofiei. Dacă universul era format dintr-un număr infinit de atomi, atunci, a concluzionat el, era imposibil să nu existe alte planete.
Epicur înțelegea clar ce însemna asta apropo de apariția vieții în altă parte: „Nu trebuie să presupunem că lumile au neapărat aceeași formă. Nimeni nu poate dovedi că într-un fel de lume nu ar putea fi conținute – în timp ce într-un alt fel de lume nu ar putea fi posibil – semințele din care apar animalele și plantele și toate celelalte lucruri pe care le vedem”.
În contrast, cam în aceeași vreme, filosoful grec Aristotel (384-322 î.Hr.) propunea modelul său geocentric al universului, care avea Pământul imobil în centru cu Luna, Soarele și planetele cunoscute orbitând în jurul nostru. În esență, sistemul solar așa cum îl concepea Aristotel era întregul univers. În „Despre ceruri” (350 î.Hr.), el argumenta: „Rezultă că nu pot exista mai multe lumi decât una”.
Această gândire, că planetele erau rare în univers, a persistat timp de 2.000 de ani.
Sir James Jeans, unul dintre cei mai buni matematicieni din lume și un fizician și astronom influent la acea vreme, a avansat în 1916 „ipoteza mareică” pentru a explica formarea planetelor. Conform acestei teorii, planetele se formau când două stele treceau atât de aproape, încât apropierea ducerea la extragerea materie din acele stele, care era aruncată în spațiu, iar ulterior această materie se condensa în planete. Raritatea unor astfel de întâlniri cosmice apropiate în vastitatea golului spațial l-a dus pe Jeans să creadă că planetele trebuie să fie rare sau – așa cum a fost scris în necrologul său – „că sistemul solar ar putea fi chiar unic în univers”.
Dar până atunci înțelegerea scării universului se schimbase încet. În „Marea dezbatere” din 1920, ținută la Muzeul Smithsonian de Istorie Naturală din Washington DC, astronomii americani Harlow Shapley și Heber Curtis au discutat dacă galaxia noastră era întregul univers sau doar una dintre multele galaxii din univers. Dovezile au început să indice spre a doua ipoteză, așa cum argumentase Curtis. Această realizare, că universul conținea nu doar miliarde de stele, ci miliarde de galaxii, fiecare conținând miliarde de stele, a început să-i influențeze chiar și pe cei mai pesimiști în ce privește existența altor planete.
În anii 1940, două lucruri au cauzat consensul științific să pivoteze dramatic. Mai întâi, ipoteza mareică a lui Jeans nu a rezistat examinării științifice. Teoriile principale vedeau formarea planetelor ca un produs natural al formării stelelor în sine, deschizând calea către posibilitatea ca toate stelele să aibă planete.
Apoi, în 1943, au apărut afirmații despre planete orbitând stelele 70 Ophiuchus și 61 Cygni c – două sisteme stelare relativ apropiate, vizibile cu ochiul liber. Ambele au fost dovedite ulterior ca „fals pozitive”, cel mai probabil datorită incertitudinilor în observațiile telescopice posibile la acea vreme; dar, totuși, au influențat în mare măsură gândirea cu privire la planete. Deodată, existența a miliarde de planete în Calea Lactee a fost considerată o posibilitate științifică reală.
Pentru noi, nimic nu evidențiază această schimbare de mentalitate mai mult decât un articol scris pentru Scientific American în iulie 1943 de influentul astronom american Henry Norris Russell. În timp ce cu două decenii înainte Russell prezisese că planetele „ar trebui să fie rare printre stele”, acum titlul articolului său era: „Sfârșitul antropocentrismului. Noi descoperiri duc la probabilitatea că există mii de planete locuite în galaxia noastră”.
Remarcabil, Russell nu făcea doar o predicție despre orice planete, ci despre cele locuite. Întrebarea arzătoare era: unde erau ele? Avea să mai treacă încă o jumătate de secol până să începem să aflăm.
Cum să detectezi o exoplanetă
Când observăm nenumărate stele prin telescopul Galileo construit în Italia, situat în La Palma, folosind spectroscopul nostru Harps-N, este uimitor să ne gândim cât de departe am ajuns de când Mayor și Queloz au anunțat descoperirea lui 51 Pegasi b în 1995. În zilele noastre, putem măsura eficient masele nu doar ale planetelor asemănătoare lui Jupiter, ci chiar ale planetelor mici, aflate la mii de ani-lumină. Ca parte a colaborării Harps-N, am avut un loc în primul rând încă din 2012 în știința exoplanetelor mici.
Un alt reper în această poveste a venit la patru ani după descoperirea lui 51 Pegasi b, când un student de doctorat canadian la Universitatea Harvard, David Charbonneau, a detectat tranzitul unei exoplanete cunoscute. Acesta era un alt „jupiter fierbinte”, cunoscut ca HD209458b, de asemenea situat în constelația Pegasus, la aproximativ 150 de ani-lumină de Pământ.
Tranzitul se referă la o planetă trecând prin fața stelei sale, din perspectiva observatorului, făcând steaua să pară mai slabă sub aspectul luminozității pentru o clipă. Pe lângă detectarea exoplanetelor, tehnica tranzitului ne permite să măsurăm raza planetei, luând multe măsurători de luminozitate ale unei stele, apoi așteptând să se estompeze din cauza planetei aflate în trece. Creșterea luminozității luminii stelare blocate depinde de raza planetei. De exemplu, Jupiter ar face Soarele cu 1% mai slab sub aspectulluminozității pentru observatori extratereștri, în timp ce în cazul Terrei efectul ar fi de o sută de ori mai slab.
În total, de patru ori mai multe exoplanete au fost descoperite acum folosind această tehnică a tranzitului, comparativ cu tehnica „cod de bare”, cunoscută ca „viteză radială”, pe care astronomii elvețieni au folosit-o pentru a observa prima exoplanetă acum 30 de ani. Este o tehnică care este încă folosită pe scară largă astăzi, inclusiv de noi, deoarece nu doar găsește o planetă, ci măsoară și masa sa.
O planetă orbitând o stea exercită o atracție gravitațională care face ca steaua să se miște înainte și înapoi, însemnând că își va schimba periodic viteza în raport cu observatorii de pe Pământ. Prin tehnica vitezei radiale luăm măsurători repetate ale vitezei unei stele, căutând să găsim o mișcare periodică stabilă care indică prezența unei planete.
Aceste schimbări de viteză sunt însă extrem de mici. Pentru o mai bună înțelegere: Pământul face Soarele să-și schimbe viteza cu un 9 cm pe secundă, mai lent decât o țestoasă. Pentru a găsi planete cu tehnica vitezei radiale, avem astfel nevoie să măsurăm aceste mici schimbări de viteză pentru stele care sunt la multe trilioane de kilometri de noi.
Instrumentele de ultimă oră pe care le folosim sunt cu adevărat bijuterii inginerești. Cele mai recente spectrografe, cum ar fi Harps-N și Espresso, pot măsura cu precizie diferențe de viteză de ordinul zecilor de centimetri pe secundă, deși încă nu suficient de sensibile pentru a detecta un „geamăn” al Pământului.
Dar în timp ce această tehnică de viteză radială este, deocamdată, limitată la observatoare terestre și poate observa doar o stea la un moment dat, tehnica tranzitului poate fi folosită în cazul telescoapelor spațiale, cum este cazul cu misiunea franceză Corot (2006-14) și misiunile NASA Kepler (2009-18) și Tess (2018-). Împreună, telescoapele spațiale au detectat mii de exoplanete în toată diversitatea lor, profitând de faptul că putem măsura luminozitatea stelară mai ușor din spațiu și pentru mai multe stele în același timp.
În ciuda diferențelor în rata de succes a detectării, ambele tehnici continuă să fie dezvoltate. Aplicarea ambelor poate da raza și masa unei planete, deschizând mult mai multe căi pentru studiul compoziției sale.
Pentru a estima compozițiile posibile ale exoplanetelor descoperite, începem prin a face presupunerea simplificată că planetele mici sunt, ca Pământul, formate dintr-un nucleu greu bogat în fier, un manta pietroasă mai ușoară, ceva apă de suprafață și o atmosferă mică. Folosind măsurătorile noastre de masă și rază, putem acum modela diferitele straturi compoziționale posibile și grosimea lor.
Acesta este încă foarte mult o lucrare în desfășurare, dar universul ne răsfață cu o varietate largă de planete diferite. Am văzut dovezi de planete solide sfâșiate și aranjamente planetare stranii care sugerează coliziuni anterioare.
Au fost găsite planete în toată galaxia noastră, de la exoplaneta Sweeps-11b, în regiunea galactică centrală (la aproape 28.000 de ani-lumină distanță, una dintre cele mai îndepărtate descoperite vreodată), până la cele orbitând cel mai apropiat vecin stelar al nostru, Proxima Centauri, care este „doar” la 4,2 ani-lumină.
Căutarea „unui alt Pământ”
La începutul lunii iulie 2013, unul dintre noi (Christopher) zbura spre La Palma pentru prima „tură” cu spectroscopul Harps-N. Laptopul era plin de foi de calcul, grafice, manuale, slide-uri și alte note. De asemenea inclus era un document de trei pagini pe care tocmai îl trimisese cineva, intitulat: „Instrucțiuni speciale pentru ToO (Target of Opportunity)”.
Primul paragraf spunea: „Consiliul executiv a decis că ar trebui să dăm cea mai mare prioritate acestui obiect”. Obiectul în cauză era un candidat planetar considerat a orbita Kepler-78, o stea puțin mai rece și mai mică decât Soarele, situată la aproximativ 125 de ani-lumină în direcția constelației Cygnus.
Câteva linii mai jos se citea: „Tura 4-8 iulie … Chris Watson” cu o listă de zece momente pentru a observa Kepler-78 – de două ori pe noapte, fiecare separată de patru ore și 15 minute. Numele de deasupra numelui meu era al lui Didier Queloz (încă nu primise premiul Nobel).
Acest candidat planetar fusese identificat de telescopul spațial Kepler, care avea sarcina de a căuta o porțiune a Căii Lactee pentru exoplanete mici cât Pământul. În acest caz, identificase un candidat planetar tranzitând cu o rază estimată de 1,16 (± 0,19) raza Terrei – o exoplanetă nu cu mult mai mare decât Pământul fusese potențial observată.
Eram în La Palma pentru a încerca să-i măsor masa care, combinată cu raza obținută de Kepler, permitea obținerea datelor cu privire la densitatea și compoziția posibile. Am scris la acea vreme: „Vreau eroare de 10% pe masă, pentru a obține o densitate suficient de bună pentru a distinge între planete asemănătoare Pământului, cu concentrație de fier (Mercur) sau apă”.
În total, am luat zece din cele 81 de expuneri totale ale echipei noastre obțiute cu ajutorul lui Kepler-78, într-o campanie de observare care a durat 97 de zile. În acel timp, am aflat de o echipă condusă de SUA care căuta și ea această potențială planetă. În spirit științific adevărat, am convenit să ne publicăm rezultatele descoperirilor independente în același timp. Ca un schimb de prizonieri, cele două echipe au schimbat rezultate – care erau asemănătoare. Am ajuns, în limitele incertitudinilor datelor noastre, la aceeași concluzie despre masa planetei.
Cea mai probabilă masă a fost: 1,86 mase terestre. La acea vreme, asta făcea din Kepler-78b cea mai mică exoplanetă cu o masă măsurată cu precizie. Densitatea era aproape identică cu cea a Pământului.
Dar acolo se terminau similaritățile cu planeta noastră. Kepler-78b are un „an” care durează doar 8,5 ore, de aceea fusesem instruit să o observez la fiecare 4 ore și 15 minute – când planeta era pe segmente opuse ale orbitei sale, iar „zgâlțâirea” indusă a stelei era la maxim. Am măsurat steaua mișcându-se înainte și înapoi la aproximativ doi metri pe secundă, nu mai mult decât un alergat lent.
Orbita scurtă a lui Kepler-78b însemna că temperatura sa extremă ar face să se topească toată roca de pe planetă. Poate să fi fost cea mai asemănătoare Pământului planetă găsită la acea vreme în termeni de dimensiune și densitate, dar altfel, acest univers de lavă infernală era la extreme în raport cu planetele cunoscute.
În 2016, telescopul spațial Kepler a făcut o altă descoperire de referință: un sistem cu cel puțin cinci planete tranzitând o stea asemănătoare Soarelui, HIP 41378, în constelația Racului. Ce o făcea deosebit de interesantă era locația acestor planete. Dacă majoritatea planetelor tranzitorii pe care le-am observat sunt mai aproape de steaua lor decât este Mercur de Soare, acest sistem are cel puțin trei planete dincolo de raza orbitală a lui Venus.
După ce am decis să folosim spectroscopul nostru Harps-N pentru a măsura masele tuturor celor cinci planete tranzitând, a devenit clar după mai mult de un an de observare că un singur instrument nu era suficient pentru a analiza acest amestec provocator de semnale. Alte echipe internaționale au ajuns la aceeași concluzie și, în loc să concureze, am decis să ne unim într-o colaborare globală care rezistă și azi, cu sute de viteze radiale adunate peste mulți ani.
Acum avem date solide despre masa și raza majorității planetelor din sistem. Dar studiul lor este un joc de răbdare. Cu planete mult mai departe de steaua gazdă, durează mult mai mult până la un nou eveniment de tranzit sau până când „zgâlțâirea” periodică poate fi observată pe deplin. Avem astfel nevoie să așteptăm ani și să adunăm o mulțime de date pentru a obține date concludente despre acest sistem.
Recompensele sunt evidente, totuși. Acesta este primul sistem care începe să semene cu sistemul nostru solar. În timp ce planetele sunt puțin mai mari și mai masive decât planetele noastre solide, distanțele lor sunt foarte similare, ajutându-ne să înțelegem cum se formează sistemele planetare în univers.
Sfântul Graal pentru exploratorii exoplanetelor
După trei decenii de observare, a apărut o mare varietate de tipuri d planete. Am început cu „jupiterii fierbinți”, giganți gazoși apropiați de steaua lor, care sunt printre cele mai ușor de găsit planete datorită atât tranzitelor mai mari, cât și semnalelor mai substanțiale privind viteza radială. Dar în timp ce primele zeci de exoplanete descoperite erau toate „jupiteri fierbinți”, acum știm că aceste planete sunt de fapt foarte rare.
Odată cu progresul tehnologiei s-au înmulțit observațiile, ceea ce ne-a permis să găsim o clasă complet nouă de planete cu dimensiuni și mase între cele ale Pământului și planetei Neptun. Dar în ciuda cunoștințelor noastre despre mii de exoplanete, încă nu am găsit sisteme care să semene cu adevărat cu sistemul nostru solar, nici planete care să semene cu adevărat cu Pământul.
Este tentant să concluzionăm că asta înseamnă că suntem o planetă unică într-un sistem unic. În timp ce asta încă ar putea fi adevărat, este improbabil. Explicația mai rezonabilă este că, cu toată tehnologia noastră stelară, capacitățile noastre de a detecta planete asemănătoare Pământului sunt încă destul de limitate într-un univers atât de vast.
Sfântul Graal pentru mulți exploratori de exoplanete, inclusiv pentru noi, rămâne să găsim acest adevărat „geamăn” al Terrei – o planetă cu o masă și rază similare cu cea a Pământului, orbitând o stea similară Soarelui la o distanță similară cu cea la care suntem noi de Soare.
În timp ce universul este bogat în diversitate și conține multe planete deosebite de a noastră, descoperirea unui adevărat geamăn al Pământului ar fi cel mai bun loc pentru a căuta viață așa cum o cunoaștem. În prezent, metoda vitezei radiale – folosită pentru a găsi prima exoplanetă – rămâne cel mai bine poziționată metodă pentru a o găsi.
La treizeci de ani de la acea descoperire câștigătoare de Nobel, exploratorul planetar Didier Queloz preia comanda primei campanii dedicate metodei vitezei radiale pentru a căuta o planetă asemănătoare Pământului.
O colaborare internațională majoră construiește un instrument dedicat, Harps3, care va fi instalat mai târziu anul acesta la Telescopul Isaac Newton din La Palma. Având în vedere capacitățile sale, credem că un deceniu de date ar trebui să fie suficient pentru a descoperi în final prima planetă care să fie realmente asemănătoare Pământului.
Dacă nu suntem totuși unici.
> Citește și: Care sunt tehnicile pentru a descoperi o planetă?
Traducere după How to discover a planet de Christopher Watson, profesor, Astrophysics Research Centre, School of Mathematics and Physics, Queen's University Belfast și Annelies Mortier, profesor asociat de astronomie, School of Physics and Astronomy, University of Birmingham.
