Πώς ανακαλύπτουμε εξωπλανήτες; Methods of detecting extrasolar planets

An artist's conception of two Pluto-sized dwarf planets in a collision around Vega. NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC/Caltech)

Εξωπλανήτες ονομάζονται οι πλανήτες που περιφέρονται γύρω από μακρινά άστρα και, επομένως, ανήκουν σε άλλα πλανητικά συστήματα και όχι στο δικό μας ηλιακό σύστημα. Τα τελευταία 17 χρόνια έχουν ανακαλυφθεί περισσότεροι από 800 - και ο κατάλογος μεγαλώνει με ταχύ ρυθμό, δείχνοντας ότι τα άστρα με πλανητικά συστήματα είναι κάτι συνηθισμένο στον Γαλαξία μας. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την ανακάλυψη του πρώτου εξωπλανήτη συνεχίζει να είναι επίκαιρη ακόμη και σήμερα, αφού βρίσκεται πίσω όχι μόνο από την ανακάλυψη του μεγαλύτερου ποσοστού από τους 800, αλλά και από τον πρόσφατο εντοπισμό ενός εξωπλανήτη στο κοντινότερο σ' εμάς άστρο, το α του Κενταύρου. Υπάρχουν όμως και άλλες μέθοδοι για την αναζήτηση εξωπλανητών, που είναι μάλιστα περισσότερο κατάλληλες για το κυνήγι πλανητών στο μέγεθος της Γης και στη «σωστή» απόσταση από το μητρικό τους άστρο, ώστε να μπορούν να φιλοξενούν ζωή.

Απευθείας φωτογράφιση

Direct image of exoplanets around the star HR8799 using a Vortex coronagraph on a 1.5m portion of the Hale telescope. NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

Η προφανής μέθοδος αναζήτησης εξωπλανητών είναι φυσικά και η απλούστερη: να προσπαθήσουμε να φωτογραφίσουμε τον πλανήτη με ένα τηλεσκόπιο. Το πρόβλημα με αυτή τη μέθοδο είναι ότι οι πλανήτες δεν έχουν δικό τους φως αλλά απλά ανακλούν το φως του άστρου γύρω από το οποίο περιφέρονται. Επειδή επιπλέον οι πλανήτες είναι πολύ μικρότεροι από τα άστρα, το φως τους είναι περισσότερο από ένα εκατομμύριο φορές πιο αμυδρό από των άστρων. Έτσι το φως του άστρου υπερκαλύπτει το φως του πλανήτη, και ο τελευταίος δεν φαίνεται καθόλου! Είναι σαν να προσπαθεί κάποιος να παρατηρήσει ένα άστρο, βάζοντας έναν αναμμένο αναπτήρα δίπλα στο μάτι του. Παρ' όλες τις δυσκολίες, τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι που επέτρεψαν την απευθείας φωτογράφιση εξωπλανητών, όπως για παράδειγμα είναι το πλανητικό σύστημα των τριών πλανητών γύρω από το άστρο HR8799. Η φωτογραφία ελήφθη από το μεγάλο τηλεσκόπιο του όρους Πάλομαρ των ΗΠΑ, με τη βοήθεια μιας πρωτοποριακής διάταξης, που «σβήνει» το φως του κεντρικού άστρου. Η συντριπτική πλειονότητα όμως των γνωστών εξωπλανητών έχει ανακαλυφθεί με άλλες μεθόδους, τις πιο σημαντικές από τις οποίες αναφέρω στη συνέχεια.

Με την ταχύτητα της κίνησης

Animation of a transiting planet. The lower panel shows real data of a transit of the planet of the star HD209458. (Observations were performed in the night of 26-27 July 2000 by Deeg and Garrido at the 0.9m Sierra Nevada Telescope of IAA, Granada). The upper panel shows a simulation of the transit, with realistic size-relations between the planet and the star.

Οι περισσότεροι ως σήμερα εξωπλανήτες έχουν ανακαλυφθεί με μια μέθοδο η οποία ανιχνεύει την ταχύτητα της κίνησης του κεντρικού άστρου, εξαιτίας της περιφοράς του εξωπλανήτη γύρω από αυτό. Επειδή κανένα σώμα στο Σύμπαν δεν είναι «καρφωμένο» στη θέση του, τόσο ο πλανήτης όσο και το μητρικό άστρο κινούνται γύρω από το κέντρο μάζας του πλανητικού συστήματος. Οι αστρονόμοι από τη Γη καταγράφουν το φάσμα του φωτός του άστρου και μετρούν με ακρίβεια τη θέση των φασματικών γραμμών, οι οποίες οφείλονται στην απορρόφηση του φωτός της φωτόσφαιρας του άστρου από την ατμόσφαιρά του. Όταν κατά την κίνησή του γύρω από το κέντρο μάζας το άστρο απομακρύνεται από εμάς, τότε οι φασματικές γραμμές φαίνονται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος από το πραγματικό και όταν το άστρο πλησιάζει, φαίνονται σε μικρότερα. Είναι το ίδιο φυσικό φαινόμενο που κάνει την κόρνα ενός αυτοκινήτου όταν αυτό πλησιάζει να ακούγεται πιο «πρίμα» και όταν απομακρύνεται πιο «μπάσα» από το κανονικό. Από αυτή την περιοδική «ταλάντωση» των φασματικών γραμμών ανιχνεύεται η παρουσία του εξωπλανήτη, του οποίου μπορούμε να μετρήσουμε την περίοδο περιφοράς γύρω από το μητρικό άστρο καθώς και να εκτιμήσουμε τη μάζα του. Το μεγάλο τηλεσκόπιο των 3,6 μέτρων του Ευρωπαϊκού Αστεροσκοπείου του Νότου έχει εξοπλισθεί με έναν εξελιγμένο φασματογράφο, ο οποίος μπορεί να μετρήσει ταχύτητα κίνησης του άστρου μόλις 3,5 χιλιομέτρων την ώρα, δηλαδή όση είναι η ταχύτητα ενός ανθρώπου που περπατάει. Με αυτό το υπερευαίσθητο όργανο έχουν ανακαλυφθεί ως σήμερα 75 εξωπλανήτες.

Με την ανίχνευση της έκλειψης

The Kepler Mission, A NASA mission which is able to detect extrasolar planets

Μια άλλη μέθοδος ανακάλυψης εξωπλανητών είναι η ανίχνευση της «έκλειψης» που προκαλεί η διέλευσή τους μπροστά από το μητρικό άστρο. Η μέθοδος αυτή είναι δυνατό να εφαρμοστεί αυτοματοποιημένα και «μαζικά», με τη συνεχή φωτογράφιση μιας περιοχής του ουρανού που έχει χιλιάδες άστρα. Στη συνέχεια ένας υπολογιστής συγκρίνει τις φωτογραφίες των άστρων στις διάφορες χρονικές στιγμές, αναζητώντας ανεπαίσθητες μειώσεις της λαμπρότητάς τους. Το ποσοστό μείωσης της λαμπρότητας εξαρτάται από τη διάμετρο του πλανήτη, οπότε η μέθοδος αυτή έχει το πλεονέκτημα ότι μας δίνει μια πληροφορία που δεν μπορεί να δώσει η προηγούμενη, δηλαδή την ακτίνα του εξωπλανήτη. Επιπλέον, επειδή στο φάσμα του άστρου προστίθεται και το φάσμα της ατμόσφαιρας του πλανήτη, μπορούμε να διαπιστώσουμε τη χημική της σύσταση. Με τη μέθοδο αυτή έχουν ανακαλυφθεί ως σήμερα χιλιάδες εξωπλανήτες, αλλά επειδή η μείωση της παρατηρούμενης λαμπρότητας μπορεί να οφείλεται και σε άλλους παράγοντες, απαιτείται η επιβεβαίωση της ανακάλυψης με άλλες μεθόδους προτού θεωρηθεί οριστική.

Οι βαρυτικοί φακοί «πιάνουν» και τους ελεύθερους

Gravitational Microlensing

Μια από τις πιο σύγχρονες μεθόδους αναζήτησης εξωπλανητών είναι αυτή που στηρίζεται στο φαινόμενο των βαρυτικών φακών. Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, το βαρυτικό πεδίο ενός σώματος «κάμπτει» τις φωτεινές ακτίνες, ακριβώς όπως και ένας φακός. Με αυτό το φαινόμενο έχουν παρατηρηθεί πολύ απομακρυσμένοι γαλαξίες, επειδή το φως τους «συγκεντρώνεται» προς την κατεύθυνση της Γης από το βαρυτικό πεδίο μεγάλων σμηνών άλλων γαλαξιών, οι οποίοι βρίσκονται σε μικρότερη απόσταση. Το ίδιο φαινόμενο, αλλά σε μικρότερη κλίμακα, μπορεί να προκαλέσει την ανεπαίσθητη μείωση της λαμπρότητας ενός άστρου, λόγω της διέλευσης κάποιου πλανήτη μεταξύ του άστρου και της Γης. Με αυτή τη μέθοδο έχουν ανακαλυφθεί ως σήμερα μόνο 13 εξωπλανήτες, αλλά η απόδοσή της αναμένεται να αυξηθεί στο μέλλον, επειδή μπορεί να ανιχνεύει όχι μόνο πλανήτες σε μεγάλες αποστάσεις από το μητρικό τους άστρο, αλλά ακόμη και ελεύθερους πλανήτες, οι οποίοι δεν ανήκουν σε κάποιο πλανητικό σύστημα αλλά κινούνται ελεύθεροι στον διαστρικό χώρο. Σύμφωνα με πρόσφατες εκτιμήσεις, στον Γαλαξία μας οι ελεύθεροι πλανήτες είναι δύο φορές περισσότεροι από ό,τι τα άστρα και ο πρώτος απ' αυτούς ανιχνεύτηκε πριν από λίγες ημέρες («Ο πλανήτης Ολιβερ Τουϊστ»).

Είναι φανερό ότι οι διάφορες μέθοδοι αναζήτησης εξωπλανητών είναι κατά βάση αλληλοσυμπληρωματικές, γεγονός που εξασφαλίζει ότι μπορούμε πια να ανακαλύψουμε εξωπλανήτες όλων των κατηγοριών: μικρούς ή μεγάλους και κοντά ή μακριά από το μητρικό τους άστρο. Οι αστρονόμοι περιμένουν πολύ σύντομα την ανακάλυψη ενός εξωπλανήτη με τα χαρακτηριστικά της Γης, δηλαδή με παρόμοια μάζα και σε παρόμοια απόσταση από το μητρικό άστρο, το οποίο θα έχει παρόμοια θερμοκρασία με τον Ήλιο. Ένας τέτοιος πλανήτης θα βρίσκεται στη ζώνη βιωσιμότητας του μητρικού άστρου, έτσι ώστε να είναι δυνατή η ανάπτυξη ζωής σε αυτόν.

Χάρης Βάρβογλης