Nowa metoda wykrywania planet pozasłonecznych. Nie przydadzą się w niej teleskopy

W 2017 roku opisałem cztery podstawowe techniki wykrywania planet - astrometria, mikrosoczewkowanie, pomiary prędkości radialnych i tranzyty. Dodać do nich należy także technikę bezpośredniego obrazowania. Dzięki coraz lepszym osiągom teleskopów udało się dotychczas wykryć tak kilkadziesiąt planet. Te wszystkie pięć metod ma jeden wspólny mianownik. Polegają one na obserwacjach teleskopami w świetle widzialnym. Duże nadzieje wiąże się w tym przypadku z obserwacjami Webba, a także nowymi superteleskopami, takimi jak Gigantyczny Teleskop Magellana.

Czy planety można obserwować inaczej niż za pomocą teleskopów optycznych?

Planety można dostrzec także przez radioteleskopy. Musi być jednak spełniony jeden istotny warunek. Sygnał radiowy musi być silny, a to oznacza, że albo planeta lub jej otoczenie muszą być takim mocnym źródłem promieniowania radiowego, albo radioteleskop wykorzystywany do obserwacji bardzo czuły i o wysokiej rozdzielczości obserwacji.

Obejrzyj w

Przychodzi wam pewnie w tym momencie do głowy promieniowanie radiowe, które wytwarza nasza cywilizacja, świadczące o istnieniu życia inteligentnego. Jednak to co proponują astronomowie to obserwacje fal radiowych, które powstają między innymi w wyniku oddziaływania wiatru gwiazdowego z polem magnetycznym planety. Takie zjawiska mają szanse szczególnie dobrze manifestować się w przypadku planet gigantów, takich jak nasz Jowisz. W Układzie Słonecznym ten gazowy gigant potrafi być bardzo jasny na obrazach radiowych, nawet w porównaniu ze Słońcem. 

Jowisz i jego obserwacje radiowe, czyli punkt wyjścia dla nowej techniki detekcji planet pozasłonecznych

Jowisz w Układzie Słonecznym znajduje się na tyle blisko, że obserwacje możliwe są nawet przez miłośników radioastronomii z pomocą samodzielnie zbudowanych instrumentów. Efekt oddziaływania elektronów z wiatru słonecznego z polem magnetycznym Jowisza da się zauważyć jako szum radiowy w zakresie od 10 do 40 MHz dobiegający z kierunku, w którym znajduje się ta planeta.

Nawet najlepsze obrazy amatorskie Jowisza nie będą oczywiście tak dobre jak te uzyskane przez profesjonalne siatki interferometryczne radioteleskopów. W przypadku VLA (Very Large Array, sieć radioteleskopów w stanie Nowy Meksyk w USA), która dzięki wspólnemu działaniu 27 radioteleskopów daje odpowiednio wysoką rozdzielczość kątową radiowych obserwacji, Jowisz wygląda tak jak na obrazku poniżej. Zamiast plam jak w przypadku obserwacji o niskiej rozdzielczości, które pokazują planetę i tak zwany torus wytworzony w wyniku wyrzutu materii z księżyca Io, dostajemy obraz, którzy przypomina Jowisza takim jakim go znamy. Czyli z pasmami chmur w górnych warstwach atmosfery.

Jowisz w promieniowaniu radiowym. Niebieski kolor odpowiada 2 cm falom, złoty 3 cm, a czerwony 6 cm. Różowa poświata wokół planety to efekt promieniowania synchrotronowego, wywoływanego przez obiegającą planetę wiązkę elektronów. Foto: Imke de Pater, Michael H. Wong (UC Berkeley), Robert J. Sault (Univ. Melbourne)

W rzeczywistości jednak, dobierając odpowiednio długość fal, w którym prowadzone są obserwacje obserwujemy Jowisza poniżej górnego pułapu chmur. Obserwacje uzyskane na długościach 2 i 3 cm przez VLA, czyli odpowiadające częstotliwościom od 8 do 18 GHz, pozwalają zajrzeć na 30 do 90 km w głąb tej planety.

Zdjęcie radiowe Jowisza (VLT) i wizualne (Hubble) koncentrujące się na Wielkiej Czerwonej Plamie. Foto: radiowe zdjęcie Michael H. Wong, Imke de Pater (UC Berkeley), Robert J. Sault (Univ. Melbourne) / obraz wizualny NASA, ESA, A.A. Simon (GSFC), M.H. Wong (UC Berkeley) oraz G.S. Orton (JPL-Caltech)

Do poszukiwania planet pozasłonecznych z pomocą radiowych obserwacji magnetosfery potrzebna będzie nowa generacja radioteleskopów

Planety pozasłoneczne leżą niestety dużo dalej niż Jowisz. By wykryć powiązany z nimi sygnał radiowy konieczna będzie budowa ogromnych radioteleskopów. A nawet nie tyle radioteleskopów co siatek interferometrycznych, które pozwolą uzyskać dużą rozdzielczość obserwacji. Poza tym nie będzie nam tu zależało na obserwacjach ich cech powierzchniowych, ale dokładnym wyznaczeniu położenia względem gwiazdy.

Do dziś nie udało się nam zaobserwować jeszcze ani jednej planety za pomogą detekcji w falach radiowych, ale symulacje komputerowe sugerują, że jeśli uzyskamy odpowiednią rozdzielczość obserwacji, sygnał powinien być bardzo czysty i łatwy do detekcji.

Symulacja radiowych obserwacji pozasłonecznego Jowisza obiegającego swoją macierzystą gwiazdę w falach o długości 10 MHz (górna sekwencja obrazów) i 1 GHz

Takie radiowe obserwacje będą oczywiście możliwe przede wszystkim w przypadku planet gigantów z dużymi polami magnetycznymi. Jednak, gdy uda się już je przeprowadzić, to uzyskamy najprecyzyjniejsze pomiary orbity takiego obiektu i wskazówki dotyczące jej wewnętrznej budowy. Nawet jeśli w układzie będą inne planety o mniejsze masie i trudniejsze do detekcji, dokładne wyznaczenie trajektorii jednej z planet ułatwi doprecyzowanie ich w przypadku pozostałych obiektów.

Źródło: Berkeley, inf. własna, foto wejściowe: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)