Habitabilnost ekstrasolarnih planeta - S A D R Ž A J
OTKRIVANJE EGZOPLANETA
Od antičkih vremena do danas su poznate šest planeta našeg Sunčevog sistema. Ostale dve su dokazane u 19. veku. Kasnije su otkrivene brojne patuljaste planete, asteroidi i sateliti. Naše Sunce je prosečna zvezda u Mlečnom putu i to navodi na zaključke da i druge zvezde imaju planete koje kruže oko njih. Međutim, otkrivanje tih planeta je mnogo teže nego što se misli, jer one ne svetle i mnogo su manje od zvezda. Tek u zadnjih 15 godina je dokazano da ove planete postoje. Njihov broj je narastao veoma brzo, do sada su otkrivene preko 3.000 planeta izvan našeg Sunčevog sistema. Za njih se zbog toga kaže, da su to „egzoplanete“ ili „ekstraterestrijalne planete“. Na osnovu zvezda koje su poznate astronomima, broj planeta u Mlečnom putu se procenjuje na jednu milijardu.
SLIKA 01 Koliko planeta je otkriveno kojim metodom
Najveći broj egzoplaneta je otkriven pomoću tranzitnog metoda. Pri tome se traže varijacije u svetlosti koje nastaju kada planeta na svojoj putanji prođe ispred zvezde oko koje kruži i pri tome pomrači jedan deo njene svetlosti. Da bi se saznalo da li je novootkrivena planeta slična Zemlji ili se radi o gasovitoj planeti sličnoj Jupiteru, potrebno je tačno poznavanje karakteristika zvezde. Tako je moguće iz gravitacionog ubrzanja izvesti zaključak o veličini zvezde i zatim i o veličini planete.
Do sada su bila moguća tačna merenja gravitacionog ubrzanja samo za nekoliko svetlih zvezda. Međutim, nov metod, omogućava rezultate kod zvezda slabijeg sjaja pri skoro istoj tačnosti uz pomoć površinske gravitacije. Metod se služi minimalnim razlikama u svetlosti zvezde. Iako svetlost zvezda na nebu izgleda konstantna, ona je ipak podložna merljivim razlikama: akustična vibracija u unutrašnjosti neke zvezde menjaju količinu svetlosti koju isijava, isto kao kod konvektivnih kretanja, dizanje vrelih gasovitih mehurova i njihovo padanje posle hlađenja. Na oba fenomena direktno utiče površinska gravitacija zvezde. Zbog toga mogu da se upotrebe za merenje gravitacionog ubrzanja, koja se dobija iz mase i prečnika.
SLIKA 02
Cirkulacija koja transportuje energiju se naziva - konvekcija. Ona se događa i u slojevima ispod površine Sunca, kao i na većini zvezda naše galaksije. Da bi autistične vibracije i konvektivno kretanje zvezde mogli da se istraže, određuje se jačina svetlosti preko jednog dužeg perioda u kratkim rastojanjima. Izmerene vrednosti jačine svetlosti u odnosu na vreme, daju svetlosnu krivu. Najtačniji metod koji stoji na raspolaganju je detaljna analiza vibracija zvezde, što znači, svetlosne krive. Međutim, ovaj metod je pogodan samo za zvezde kod kojih se vibracije jasno razlikuju od pozadinskog šuštanja.
Novi metod se zove „Autocorrelation Function Timescale Technique“, ili skraćeno, Timescale Technique i omogućava rezultate gravitacionog ubrzanja i od zvezda slabog sjaja sa jakim pozadinskim smetnjama. Pri tome, astronomi filtriraju svetlosne krive da bi potisnuli dugoperiodične signale, koji potiču od magnetnog polja zvezde i nisu direktno pod uticajem površinske gravitacije. Iz filtrirane krive, dobije se tipična vremenska skala signala uzrokovana konvenkcijom i pulsiranjem.
Tačnost ovog metoda je oko 4%. U poređenju sa time, jedini do sada postojeći metod koji može da se primeni na zvezde slabog sjaja, ima tačnost od samo 25%. Primena ovog metoda je višestruka. Ne samo da svemirski teleskop Kepler može da je koristi kod tranzita egzoplaneta i da pri tome generiše stotine hiljada visoko preciznih svetlosnih kriva, nego i buduće misije, kao što su PLATO i TESS, mogu da je koriste prilikom traženja egzoplaneta. Na slici ispod se vidi tipična vremenska skala akustičnih vibracija i konvektivnih kretanja jedne zvezde, koja omogućava zaključke o gravitacionom ubrzanju na njenoj površini. Dole levo se nalaze zvezde slične našem Suncu sa visokim gravitativnim ubrzanjem i kratkim vibracionim i konvekcionim vremenskim skalama. U toku njihovog života, zvezde se kreću prema sve dužim vremenskim skalama i nižim gravitativnim ubrzanjima. Pri tome se njihovi prečnici drastično menjaju. Gore desno se nalaze crvene zvezde džinovi sa oko 50 puta većim prečnikom od Sunca.
SLIKA 03 Kod različitih metoda otkrivanja egzoplaneta, razjašnjavaju se i njihove osobine uz pomoć raznih fizikalnih principa i instrumenata.
Kod DIREKTNOG POSMATRANJA neke planete, njena slaba refleksija jedva može da se vidi zbog mnogo sjajnije zvezde. To se događa zbog toga, što sa Zemlje posmatrano, na toj udaljenosti nama izgleda kao da su zvezda i planeta jedna pored druge, a kako zvezda prejako svetli, ona svojom svetlošću zaklanja planetu od našeg pogleda. U tom slučaju, astronomi govore o uglovnom rastojanju. Ako je uglovno rastojanje premalo, teleskopom nije moguće da se odvoje ta dva objekta.
SLIKA 04
Pod određenim uslovima, posmatranje ovakvih sistema može da bude i uspešno. Ako postoji veliko uglovno rastojanje između planete i njene zvezde, to omogućava lakše otkrivanje teleskopima sa Zemlje. Zbog toga su zvezde koje nisu previše udaljene od Zemlje, najpogodniji objekti za traženje planeta uz pomoć teleskopa. Osim toga, veća planeta reflektuje više svetlosti, tako može lakše da se nađe ako nije previše udaljena od zvezde.
Mlade planete se još lakše otkrivaju, jer su tektonski uglavnom aktivnije od starijih planeta i zato su vrelije. Tako one svetle u infracrvenom svetlu i mogu da se otkriju. Teleskopi koji vrše ovakva posmatranja su opremljeni sa koronografom. To je mogućnost da se pokrije blještanje zvezde, tako da njena okolina može bolje da se vidi.
SLIKA 05 Ovako jedan koronograf pokriva svetlost našeg Sunca, da mogu da se vide njegove protuberance.
Do sada su metodom direktnog posmatranja otkrivene oko 60 egzoplaneta. To su i najmasivnije planete jer poseduju između 5 i 60 masa Jupitera. Posmatrana uglovna rastojanja su sa 0,1 do 50 miliuglovnih sekundi prilično veliki, ali stvarne razdaljine između centralne zvezde i planete, odgovaraju proseku. Skoro svi direktno posmatrani sistemi se nalaze manje od 500 svetlosnih godina udaljeni od Zemlje. Ako se uzme u obzir prečnik naše galaksije od preko 100.000 svetlosnih godina, to odgovara našem galaktičkom komšiluku.
Kod metoda ASTROMETRIJE, korisno je da ne samo da se planeta kreće oko zvezde, nego se oba tela kreću oko težišta mase. Što je neka planeta masivnija i što se bliže zvezdi nalazi, to je bari-centar dalje od centra zvezde. U nebeskoj mehanici je bari-centar težinski centar mase.
SLIKA 06
U našem Sunčevom sistemu je ovaj efekat posebno vidljiv na primeru Jupitera, koja je jedna od najmasovnijih planeta. Sunce se zajedno sa njim kreće oko jedne zajedničke tačke koja se nalazi oko 750.000 km od njegovog centra, dakle nešto iznad njegove površine. Ovakva minimalna kretanja zvezda mogu da odaju postojanje egzoplaneta, ali su teško dokaziva. Na primer, ako bi se nas Sunčev sistem posmatrao sa obližnje zvezde Proksima Centauri, Jupiter bi prouzrokovao kretanje od 6.5 miliuglovnih sekundi. Do sada se najveći broj otkrića po ovoj metodi, ispostavio kao greška. Uzrok tome je, između ostalog, da se potrebna preciznost nalazi na granici onoga što današnji instrumenti mogu da pruže.
METOD RADIJALNE BRZINE Ako jedna zvezda kruži sa planetom oko zajedničkog centra mase, ona ostavlja svojim uslovnim kretanjem, relativno prema posmatraču, tragove svetlosti. Ako nam se zvezda približava, njena svetlost će biti pomerena prema manjim talasnim dužinama, a ako se kreće od nas, svetlost će biti u većim talasnim dužinama. To se zove Doplerov efekat i on se pojavljuje i kod zvučnih talasa. Na primer, kada nam se sirena kola prve pomoći približava, njen zvuk se menja u odnosu na zvuk kada počne da se udaljava od nas.
SLIKA 07
Kod metode radijalne brzine se zbog toga spektar zvezde tačno analizira da bi se pronašao eventualni pratilac. Na primer, kretanje Sunca oko bari-centra sa Jupiterom, uzrokuje radijalno kretanje od oko 13 metara u sekundi. Doplerov pomak koji se pri tome stvara, može veoma jasno da se meri u spektru Sunca.
Sa ovom metodom su do sada otkrivene oko 600 egzoplaneta. Međutim i ovde su potrebni određeni uslovi: tako lake planete uzrokuju samo slab pomak talasnih dužina. Osim toga pomak ne može da se vidi, ako planetarni sistem posmatramo odozgo, onda se zvezda u odnosu na Zemlju, kreće u krug, a ne prema nama ili od nas.
TRANZITNI METOD Ako sa naše pozicije posmatranja, neko nebesko telo prođe ispred drugog i pokrije ga, onda se govori o tranzitu. Jedan od primera je pomračenje Sunca. Za posmatrača sa Zemlje, Mesec prolazi ispred Sunca. Takođe i planete prolaze ispred svojih zvezda na ovaj način i zatamnjuju ih, iako samo slabo, jer se svetlost zvezde pomrači samo za nekoliko procenata. Pa ipak, ako se ovo zatamnjenje posmatra višekratno u redovnim vremenskim razmacima, smatra se da je verovatno planeta uzrok tome.
SLIKA 08
Međutim, za teleskope na Zemlji, tranzit može da se posmatra samo onda, kada planeta, gledano iz naše perspektive, prođe ispred svoje zvezde. To je slučaj onda kada se nađemo skoro tačno u ravni planetarnog sistema. Uprkos tih ograničenja, tranzitni metod je pored metode radijalne brzine, za sada, najuspešnija mogućnost pronalaženja egzoplaneta. Oko 1.200 planeta su otkrivene ovim metodom.
EFEKAT MIKROSOČIVA se pojavljuje kada se neka zvezda ili masivni objekat kreće direktno ispred izvora svetlosti. Objekat koji se nalazi bliže posmatraču, fungira onda kao sočivo: njegova gravitacija krivi prostor tako, da svetlosni izvor iza, bude prividno pojačanog sjaja, pa se vide dve zvezde. Ovim efektom takođe mogu da se pronađu egzo planete. Ako se neka zvezda sa svojim sistemom planeta kreće ispred izvora svetlosti, onda trenutno pojačanje sjaja nije ravnomerno, nego ima smetnje zbog gravitacije planete. Na ovaj način su otkrivene oko 40 planeta i one su najudaljenije od svih do sada posmatranih egzo planeta. Njihova distanca prema Zemlji iznosi i do nekoliko hiljada svetlosnih godina.
SLIKA 09
U proseku se događa samo jednom u milion posmatranih pozadinskih zvezda, da jedan objekat izazove efekat sočiva. Osim toga, astronomi do sada nisu posmatrali ni jedan zvezdani sistem koji pokazuje ponovljeni efekat.
PULSIRANJE ZVEZDE je nov metod za traženje egzoplaneta i tu treba obratiti pažnju na bele patuljke. To su vrela, gusta jezgra jedne, ranije normalne zvezde, kao što je naše Sunce, koje će takođe svoj život završiti kao beli patuljak. Neki beli patuljci pulsiraju u redovnim intervalima. Ako se njihova frekvenca redovno menja, to može da ukaže na postojanje planete, koja prolazi ispred zvezde. Ovim metodom mogu da se pronađu manje planete i one koje oko svoje zvezde kruže na većem rastojanju. Ali, na ovakvim planetama je nemoguće postojanje života.
SLIKA 10 Primer za pronalaženje egoplaneta metodom pulsiranja zvezde
Uslovi koji vladaju na nekoj planeti zavise od mnogih različitih faktora. U to spada i sastav planete i njena putanja oko zvezde. Kod metode astrometrije, radijalne brzine ili tranzitne metode se vreme revolucije jedne planete zaključuje iz posmatračkih podataka. Ako se mustre ponavljaju u istom periodu. To znači da se planete sa dužim vremenom obilaska oko zvezde, teže otkrivaju. Planeta, kao što je Jupiter, sa revolucijom od preko deset godina, sa ovim metodom do sada ne bi bio otkrivena, a otkriće Urana i Neptuna bi bilo potrebno posmatranje od nekoliko stotina godina. Nasuprot tome, direktna posmatranja su momentalni snimci i ne daju mogućnost zaključivanja o trajanju putanje planete oko zvezde. Međutim, to može da se proceni, stalnim beleženjem podataka, kao sto je to slučaj kod planete Formalhaut b.
SLIKA 11 Formalhaut b periodi posmatranja od 2004. do 2012. godine
Gustina neke planete se izvodi iz njene veličine i mase. Na osnovu gustine, mogu da se razlikuju gasovite planete kao što su Jupiter ili Saturn, od kamenih planeta, kao što je Zemlja ili Mars. Doduše, ni jedan metod za otkrivanje ne pruža istovremeno podatke o veličini i masi neke planete, ali ako se kombinuju tranzitni metod i metod radijalne brzine, mogu da se dobiju potrebne vrednosti. Kod skoro trećine svih danas poznatih egzoplaneta, astronomi su na taj način mogli da izračunaju gustinu.
Ukupno postoje još mnoga ograničenja za ovakve planete, koje sa danas poznatim metodima mogu da budu otkrivene. Zbog toga, astronomi mogu samo da na osnovu podataka procene koji tip planete je bogat ili siromašan masom, da li se nalazi blizu zvezde ili daleko od nje u odnosu na većinu danas poznatih egzoplaneta.
SLIKA 12
HABITABILNOST EKSTRATERESTRIJALNIH PLANETA – 2. DEO: O HABITABILNOSTI >>
