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 

Οι Νεάντερταλ «όντως εφηύραν τις κρουαζιέρες στη Μεσόγειο», Anthropologist suggests Mediterranean islands inhabited much earlier than thought

Early occupation. Sites such as Akrotiri Aetokremnos on the southern coast of Cyprus [(A), overview and hearth feature] are providing evidence for pre-Neolithic occupation of Mediterranean islands. Other sites, including PPNB Ais Giorkis [(B), overview and female stone figurine] and PPNA Klimonas [(C), communal building and projectile point], demonstrate their occupation during the early Neolithic. The scale bars correspond to 0.5 m for the hearth, 10 cm for the figurine, and 5 cm for the projectile point.

Η πρόσφατη ελληνική μελέτη που έδειχνε ότι οι Νεάντερταλ όργωναν τη Μεσόγειο δείχνει να επιβεβαιώνεται από νέα έρευνα στο περιοδικό Science, σύμφωνα με την οποία η Κρήτη, η Κύπρος και άλλα απομακρυσμένα νησιά αποικίστηκαν πολύ νωρίτερα από ό,τι είχε εκτιμηθεί, πριν ακόμα φτάσει στην περιοχή ο σύγχρονος άνθρωπος.

Ένα δόντι από το Γύθειο αποκαλύπτει τις μετακινήσεις των Νεάντερταλ. Το δόντι 40.000 ετών βρέθηκε μέσα σε παράκτια σπηλιά και διατηρείται σε άριστη κατάσταση  

Οι Νεάντερταλ (Homo neanderthalensis) ήταν ξάδελφοι του σύγχρονου ανθρώπου που πρόλαβαν να κατακτήσουν μεγάλο μέρος της Ευρώπης πριν εξαφανιστούν πριν από περίπου 30.000 χρόνια. Είναι γνωστό ότι ζούσαν στην ηπειρωτική Ελλάδα, όπως για παράδειγμα στο Γύθειο, όχι όμως και σε απομακρυσμένα νησιά.

Μέχρι πριν από 20 χρόνια, αρχαιολόγοι και ανθρωπολόγοι εκτιμούσαν ότι τα νησιά του Αιγαίου αποικίστηκαν για πρώτη φορά πριν από περίπου 9.000 χρόνια από κτηνοτρόφους και γεωργούς Homo sapiens.

Anthropologist Alan Simmons of the University of Nevada has published a perspective piece in the journal Science suggesting that the Mediterranean islands were inhabited far earlier than has been thought. Rather than the first inhabitation of such islands as Cyprus and Crete occurring roughly 9,000 years ago, he suggests it might have been as many as 170,000. NASA photograph of Crete. Credit: NASA

Τα τελευταία χρόνια, όμως, συσσωρεύονται ενδείξεις ότι οι πρώτοι άνθρωποι έφτασαν στα ελληνικά νησιά πολύ νωρίτερα. Για παράδειγμα, ελληνική γεωλογική μελέτη που δημοσιεύτηκε φέτος το Μάρτιο στο Journal of Archaeological Science έδειχνε ότι οι ίσως Νεάντερταλ μετακινούνταν ανάμεσα σε νησιά της Μεσογείου -είτε με πλοία είτε κολυμπώντας- πριν από 100.000 χρόνια.

Τα ευρήματα στα ελληνικά νησιά είναι δύσκολο να χρονολογηθούν, φαίνεται όμως ότι είναι τόσο αρχαία ώστε είναι απίθανο να προέρχονται από τον σύγχρονο άνθρωπο, ο οποίος εμφανίστηκε στην Αφρική πριν από 200 με 100 χιλιάδες χρόνια και εισήλθε στην Ευρώπη πριν από περίπου 35.000 χρόνια.

Η θεωρία ότι οι Νεάντερταλ -ή κάποιος άλλος πρώιμος συγγενής του ανθρώπου- ήταν θαλασσοπόροι ενισχύεται τώρα από μελέτη του Άλαν Σίμονς του Πανεπιστημίου της Νεβάδα στο Λας Βέγκας. 

Άποψη του Σπηλαίου Φράγχθι από το χωριό της Κοιλάδας, Franchthi Cave in Argolida, Greece

Η μελέτη αναφέρεται σε εργαλεία από οψιδιανό λίθο που προερχόταν από τη Μήλο αλλά βρέθηκαν στο σπήλαιο Φράγθχι στην Πελοπόννησο και χρονολογήθηκαν στα 11.000 χρόνια.

Στην περίπτωση της Κύπρου, «βρέθηκαν ενδείξεις ότι οι κυνηγοί ενδέχεται να οδήγησαν στην εξαφάνιση των πυγμαίων ιπποποτάμων πριν από περίπου 12.000 χρόνια» αναφέρει ο Δρ Σίμονς. Αυτό, επισημαίνει, δείχνει ότι οι πρώτοι άποικοι του νησιού ήταν κυνηγοί-τροφοσυλλέκτες και όχι γεωργοί και κτηνοτρόφοι όπως θέλει η κρατούσα θεωρία.

Ακόμα αρχαιότερα, ηλικίας περίπου 110.000 ετών, είναι τα λίθινα εργαλεία σε νησιά του νότιου Ιονίου, ενώ στην Κρήτη έχουν βρεθεί εργαλεία από χαλαζία έως και 170.000 ετών. Δεδομένου ότι η Κρήτη απέχει περίπου 160 χιλιόμετρα από την ηπειρωτική Ελλάδα, το ταξίδι πρέπει να ήταν πραγματικός άθλος.

Ο Δρ Σίμονς παραδέχεται ότι η χρονολόγηση των ευρημάτων μπορεί να θεωρηθεί αμφισβητήσιμη. Τα ευρήματα είναι τόσο παλιά ώστε ξεπερνούν τις δυνατότητες χρονολόγησης με τη μέθοδο του άνθρακα-14, και η ηλικία τους συμπεραίνεται από τα στρώματα ανάμεσα στα οποία βρέθηκαν.

Homo neanderthalensis. Image from the Smithsonian Museum of Natural History

Ο ερευνητής πιστεύει πάντως ότι τα νησιά κατακτήθηκαν από θαλασσοπόρους Νεάντερταλ, ή ακόμα και από τους Homo erectus, ακόμα αρχαιότερους προγόνους του σύγχρονου ανθρώπου.

Όπως λέει ο ίδιος, «αν τα αρχαία ευρήματα στη Μεσόγειο μπορέσουν να επιβεβαιωθούν, θα είναι πια σαφές ότι οι Homo erectus, οι Νεάντερταλ, ή και οι δύο, είχαν τις ικανότητες και τη νοημοσύνη να κατασκευάζουν βάρκες».