Poznawanie gwiazd i ich układów planetarnych dzięki zjawisku „chybotania”
SPIRou (SpectroPolarimètre InfraRouge) – to działające w podczerwieni urządzenie o wysokiej rozdzielczości, zainstalowane na Teleskopie Kanadyjsko-Francusko-Hawajskim (CFHT) znajdującym się w pobliżu wierzchołka wulkanu Mauna Kea na Hawajach. Przy jego pomocy badane są układy planetarne wokół małych gwiazd blisko Układu Słonecznego. Gwiazdy te, które mają masę wynoszącą od około jednej trzeciej do jednej dziesiątej masy Słońca oraz mniejszą jasność z uwagi na chłodniejszą od Słońca powierzchnię, znane są szerzej jako czerwone karły. „Aby uchwycić większość ich światła, musimy je obserwować w podczerwieni. Dlatego też opracowaliśmy instrument działający właśnie w podczerwieni”, wyjaśnia Jean-François Donati, dyrektor ds. badań we francuskim Narodowym Centrum Badań Naukowych (CNRS), koordynator projektu NewWorlds. Projekt NewWorlds został sfinansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. Czerwone karły stanowią około 80 % gwiazd znajdujących się najbliżej Układu Słonecznego. „Chcąc poznać najbliższe nam układy planetarne, musimy przyjrzeć się z bliska tym gwiazdom. Skuteczny w tym przypadku może być tylko przyrząd działający w podczerwieni”, podkreśla Donati.
Chybotanie gwiazd wskazujące na obecność planet
Przyrząd SPIRou, opracowany i zbudowany w ramach projektu, wykorzystuje wysoce precyzyjną welocymetrię do pomiaru prędkości radialnej. W połączeniu ze spektropolarymetrią w podczerwieni, która pozwala na mierzenie i mapowanie fluktuacji w polach magnetycznych gwiazd, umożliwia wykrywanie niewielkich wibracji gwiazd zwanych chybotaniem. Występowanie zjawiska chybotania może w sposób precyzyjny wskazywać na obecność orbitujących planet w odległych układach gwiezdnych. „Samych planet nie zobaczymy, ale ich wpływ na gwiazdę już tak. Gdy gwiazda reaguje na przyciąganie grawitacyjne obracających się planet, można zauważyć jej chybotanie”, mówi Donati. Do tej pory dzięki analizie tych ruchów w ramach projektu odkryto około 10 nowych planet krążących wokół czerwonych karłów. „Nie jest to łatwe zadanie, ponieważ wokół małych gwiazd znajdują się mniejsze planety, generujące naprawdę niewielkie wahania”, mówi Donati.
Czyszczenie danych dotyczących chybotania
„Problem polega na tym, że podobnie jak Słońce, gwiazdy te są niezwykle aktywne. Posiadają znaczące plamy i pola magnetyczne, które również powodują chybotanie, więc trzeba umieć je oddzielić od wibracji generowanych przez planety”. „Dzięki zastosowaniu różnych przyrządów wyzwanie to udało się pokonać w domenie widzialnej, jednak nikt nie dokonał tego w podczerwieni”, dodaje. Wielokrotne obserwacje pomogły odróżnić chybotanie związane z obecnością planet od innych rodzajów aktywności. „Co niezwykłe, byliśmy w stanie obserwować chybotanie wywołane obecnością planet w długich okresach czasu, setki razy w ciągu 2–3 lat”. W ramach projektu wykryto kilka gwiazd cechujących się osobliwymi formami aktywności, które wymagają dalszych badań. „Gwiazdy te posiadały bardzo dziwne pola magnetyczne, których się nie spodziewaliśmy”, mówi Donati.
Długotrwałe obserwacje
Pola magnetyczne mają wpływ na powstawanie we Wszechświecie gwiazd o niskiej masie i ich planet, a także na wykształcenie się warunków sprzyjających powstaniu życia. Dzięki dużej liczbie obserwacji, jakie wykonano od czasu zainstalowania SPIRou na Hawajach w 2019 roku, zespół projektu był w stanie scharakteryzować wiele planet wokół czerwonych karłów, nie porzucając nadziei na znalezienie planet ziemiopodobnych nadających się do zamieszkania poza Układem Słonecznym. Instrument SPIRou został wykorzystany do obserwacji narodzin młodych gwiazd i ich planet, które były przedmiotem badań także w ramach innych inicjatyw finansowanych ze środków UE, takich jak projekty GASP i SACCRED. Długa seria obserwacji może rzucić światło na narodziny układów planetarnych, jak zauważa Donati, wskazując na inne ważne odkrycie zespołu projektu: „Wygląda na to, że planety powstają z gęstościami zbliżonymi do tych, które obserwujemy w Układzie Słonecznym”. „Nieoczekiwanie znaleźliśmy planety o dużej gęstości podobnej do gęstości Neptuna. Spodziewaliśmy się jednak, że te planety okażą większe”.
Słowa kluczowe
NewWorlds, SPIRou, planety, układy planetarne, teleskop na Hawajach, czerwone karły, instrument podczerwieni, welocymetria, spektropolarymetria, młode gwiazdy, Neptun