W poszukiwaniu planet nie zawsze najważniejsze jest poszukiwanie samych planet

Dotychczas odkrywaliśmy planety pozasłoneczne, które zdążyły się już uformować i są już na zaawansowanym etapie egzystencji, podobnym jak Ziemia. Jedna z technik, bezpośrednie obrazowanie daje też szanse na ujrzenie układu planetarnego, a nie tylko świadectwa istnienia planety. Niedawno okazało się, że w przyszłości, gdy powstaną odpowiednio potężne radioteleskopy, możliwe będą także bezpośrednie radiowe obserwacje planet na orbitach gwiazd.

Obserwacje radiowe (ale wizualne także), w poszukiwaniu planet, efekty mogą przynieść już dziś

Jednakże, by skorzystać z dobrodziejstw obserwacji radiowych nie musimy czekać. Wystarczy, że skupimy się na poszukiwaniu planet, które zajmują szczególną pozycję na swojej ścieżce egzystencji. Są to planety, które właśnie powstają w dyskach protoplanetarnych, czyli obiekty, których obserwacje wcześniej nie były brane pod uwagę, że względu na ograniczenia stosowanych dotychczas metod detekcji. Tym razem jednak nie próbujemy szukać samej planety, a świadectwa występowania struktur, których istnienie wiąże się z obecnością planety na orbicie.

Położenie asteroid trojańskich względem planety (dla przykładu Ziemia) i gwiazdy. Znajdują się one w okolicy punktów Lagrange'a L4 i L5. Zamiast asteroid może to być każda materia, która poddaje się grawitacji

Tymi obiektami są asteroidy trojańskie, a dokładniej skupiska wszelkiej materii w pozycji takiej jak dla wspomnianych asteroid.

Jeśli istnieją, poruszają się one po orbicie przed lub za niedostrzegalną planetą. Okazuje się, że pojawienie się takich zgrupowań materii możliwe jest już na etapie formowania się układu planetarnego. A my dzięki wspomnianemu radiowemu obrazowaniu, jesteśmy w stanie ujrzeć dysk protoplanetarny wokół młodziutkiej gwiazdy.

Asteroidy trojańskie znajdują się w grawitacyjnym uchwycie jaki tworzy planeta i jej macierzysta gwiazda. Poruszają się po tej samej orbicie co planeta, jednak część z nich wyprzedza tę planetę, część ją goni. Odległość planeta a jedna z dwóch grup asteroid trojańskich jest taka sama jak odległość planety do jej słońca. Formacje trojańskie mogą tworzyć poza tym nie tylko asteroidy, ale i pył międzyplanetarny, czyli wszystko co podlega działaniu grawitacji

Jak to możliwe, że skupiska materii da się zaobserwować, a dużo większej planety nie?

Kluczowe jest tu stwierdzenie, że obserwujemy nie tyle pojedyncze drobiny materii (może to być pył, ale też większe bryły materii, a nawet asteroidy), ale ich skupiska jakie tworzą na tej samej orbicie. Mają one rozmiar kątowy znacznie większy niż planeta i są w pewnym momencie w stanie nieznacznie wyróżniać się jasnością w porównaniu z resztą materii tworzącej dysk wokół gwiazdy.

Dyski protoplanetarne widziane przez radioteleskop (fot: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)

Jeśli w danych radiowych ukazujących dysk materii wokół młodej gwiazdy można wyróżnić obecność takich skupisk, to jest szansa, że są to zgrupowania trojańskie.

Wystarczy, żeby znajdowały się one w konkretnych pozycjach względem siebie, a dokładnie tworzyły wraz z gwiazdą jako wierzchołkiem, kąt równy 120 stopniom. Wtedy można podejrzewać, że znajdujące się tam obiekty (w domyśle asteroidy), zajmują taką pozycję, gdyż pomiędzy nimi na tej samej orbicie znajduje się masywna planeta.

Planeta wielkości Saturna lub Neptuna w układzie LkCa 15

Takiego właśnie odkrycia w układzie LkCa 15 dokonał zespół radioastronomów, wykorzystujących do obserwacji młodych gwiazd sieć radioteleskopów ALMA. Dwa skupiska materii w dysku wokół gwiazdy dokładnie pasują pozycjami do punktów Lagrange’a (L4 i L5), które istnieć mogą, jeśli na orbicie znajduje się też planeta. Z analizy danych wynika, że jest to obiekt o rozmiarach porównywalnych do Saturna lub Neptuna.

Wykryta dzięki obserwacji trojańskich skupisk materii planeta obiega młodą gwiazdę LkCa 15, która ma obecnie masę około 1.2 masy Słońca i znajduje się w odległości około 520 lat świetlnych w gwiazdozbiorze Byka

By dojść do pięknego w swojej prostocie wniosku, że w układzie LkCa 15 istnieje planeta, która ma swoich Trojańczyków, potrzeba było trochę analiz danych radiowych. Wynika z nich, że jedno zgrupowanie Trojańczyków ma zwartą strukturę, a drugie jest zauważanie rozciągnięte. Planeta znajduje się na orbicie w pierścieniu wewnętrznym (kolor fioletowy) widocznym na obrazach radiowych (fot: Feng Long et al 2022 ApJL 937 L1 CC BY 4.0)

Co daje nam wykrycie planety w dysku materii wokół gwiazdy?

Ciekawe jest nie tylko to, że udało się wykryć planetę, a raczej świadectwo jej istnienia, bo tarcza samej planety w spodziewanej pozycji nie została dostrzeżona. Istotne jest to, że potencjalna planeta znajduje się na szerokiej orbicie, bo w odległości około 42 jednostek astronomicznych od gwiazdy (jedna jednostka to odległości Ziemia - Słońce, 150 mln km), a wykrywanie planet w takich odległościach nie należy do częstych wydarzeń.

Na dodatek jest to planeta bardzo młoda, bo w wieku kilku milionów lat. Dotychczas skupialiśmy się na poszukiwaniu dowodów na istnienie planet w układach planetarnych, które są już dojrzałe wiekowo. Okazuje się, że mamy szansę wykrywać planety także na początkowych etapach egzystencji. I to powstałe wyjątkowo szybko.

To ważne, bo zrozumienie tego jak układy planetarne się zmieniają w czasie, jest jedną z tych rzeczy, których wciąż dobrze nie rozumiemy. Pozostaje pytanie, czy opisana tu technika stanie się sposobem na masowe wykrywanie planet, czy raczej będzie to podobnie jak mikrosoczewkowanie, rozwiązanie mniejszościowe?

Źródło: Nature, inf. własna, fot wejściowe: NASA's Goddard Space Flight Center/Francis Reddy