Rok 2005 był wyjątkowo udany dla polskich astronomów z grupy OGLE. Odkryto wtedy około 550 zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego w kierunku do centrum Galaktyki, w tym trzy planety pozasłoneczne. Okazuje się, że zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego niesie ze sobą ogromny potencjał zarówno w odkrywaniu małych i jednocześnie odległych planet pozasłonecznych. Oto historia przedstawiona niejako od kuchni.

We wczesnych latach XX wieku Albert Einstein opracował Ogólną Teorię Względności, rezultatem której było “powiązanie masy z przestrzenią”. Według teorii tej masywne ciała oddziaływują na otaczającą je przestrzeń w taki sposób, że przestrzeń zostaje zakrzywiona. To co mam na myśli mówiąc, że przestrzeń jest zakrzywiona oznacza m.in. tyle, że najkrótsza droga pomiedzy dwoma punktami w takiej przestrzeni, wcale nie jest liną prostą w tym sensie w jakim jesteśmy do tego przyzwyczajeni z życia codziennego. Linia taka nazywana linią geodezyjną odzwierciedla najkrótszy dystans pomiedzy dwoma punktami w dowolnej przestrzeni. W płaskiej przestrzeni linia geodezyjna to właśnie linia prosta. W pobliżu zwartych, masywnych obiektów linią geodezyjną jest hiperbola. Z elementarnej fizyki wiemy, że światło porusza się wzdłuż takiej drogi, na przebycie której potrzebuje najmniej czasu. We Wszechświecie “wypełnionym” galaktykami swiatło porusza się po liniach geodezyjnych. To samo dzieje się w naszej Galaktyce, składającej się z miliardów gwiazd oraz ogromnej ilości innych zwartych, masywnych i ciemnych obiektów. Światło emitowane przez gwiazdy zgrubienia centralnego (zawierającego 20 miliardów gwiazd) napotyka na swojej drodze inne masywne ciała (np. inne gwiazdy zgrubienia centralnego lub gwiazdy dysku galaktycznego), przez co jego droga zostaje zakrzywiona. Efekty te można zaobserwować.

Prof. Bohdan Paczyński

Profesor Bohdan Paczyński, jeden z najwybitniejszych astrofizyków przełomu XX i XXI wieku, profesor Uniwersytetu w Princeton. Bohdan Paczyński urodził się 8 lutego 1940 w Wilnie. Studia astronomiczne ukończył w 1962 roku na Uniwersytecie Warszawskim, gdzie w 1967 uzyskał stopień docenta. W wieku 39 lat został profesorem. Na początku lat 80. XX wieku osiadł w Stanach Zjednoczonych na Uniwersytecie w Princeton, z którym pozostał związany do śmierci. Naukowiec zajmował się soczewkowaniem grawitacyjnym, błyskami gamma i poszukiwaniem ciemnej materii. Laureat licznych nagród, m.in. Medalu Smoluchowskiego, Medalu Eddingtona, Medalu Henry’ego Drapera i Złotego Medalu Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego w Londynie. Zmarł 19 kwietnia 2007 w Princeton.

W tym właśnie miejscu w latach 80-tych XX wieku wkracza prof. Bohdan Paczyński. Publikuje on pracę naukową opisującą w sposób zarówno ścisły – matematyczny, efekty związane z soczewkowaniem grawitacyjnym w małej skali – mikrosoczewkowniem, czyli soczewkowaniem pomiędzy obiektami o masach Słońca, jak również przewiduje ile zjawisk soczewkowań powinniśmy zaobserwować w kierunku do centrum Galaktyki oraz “jak one powinny wygladać”. Skrócona wersja pracy prof. Paczyńskiego traktującej o mikrosoczewkowaniu dostępna jest po polsku na stronie URANII-PA. Wróćmy jednak do mikrosoczewkowania. Wyobraźmy sobie odległą gwiazdę emitującą światło we wszystkich kierunkach. To światło dotrze także do obserwatora, czyli do nas. Jeśli pomiędzy tą gwiazdą a nami znajdzie się inny masywny obiekt, ale “nieświęcący” to… czy zasłoni on swoją tarczą tę gwiazdę? Pierwsza myśl mogąca nasunąć się Czytelnikowi to: oczywiście, że zasłoni. To samo przecież dzieje się z Księżycem i Słońcem podczas zaćmienia Słońca. Księżyc zasłania Słońce, więc podobnie nasz obiekt zasłania gwiazdę. Okazuje się jednak, że tak nie jest. Niedość, że ów obiekt nie zasłoni naszej gwiazdy, to jeszcze spowoduje, że “będzie ona jaśniej świecić!”. Dzieje się tak ponieważ światło naszej odległej gwiazdy w pobliżu masywnego obiektu (soczewki), zostanie ugięte (będzie się poruszać po najkrótszej linii) i w efekcie światło “obiegające” ten obiekt skupi się u obserwatora. Zaobserwujemy, że nasza gwiazda jest jaśniejsza niż zwykle! W Galaktyce jednak bardzo rzadko zdarzają się takie sytuacje, gdy nasza gwiazda i inny masywny obiekt leżą na tej samej linii widzenia. Galaktyka jest tworem dynamicznym i wszystkie obiekty w niej zawarte obiegają jej centrum. Może się jednak zdarzyć, że nasza odległa gwiazda z centrum Galaktyki znajdzie się na jednej linii widzenia z innym masywnym obiektem (np. inna gwiazda). Zmiana jasności naszej gwiazdy w czasie będzie wyglądać następująco: na początku gwiazda ma stałą jasność (zakładamy, że gwiazda nie jest gwiazdą zmienną). Jeśli nasz obiekt będzie się przemieszczał w kierunku znalezienia się na jednej linii widzenia z naszą gwiazdą lub znalezienia się bardzo blisko takiego położenia światło naszej gwiazdy będzie coraz bardziej skupiane, a tym samym jej jasność obserwowana będzie rosła. Po tak bliskim zbliżeniu się tych obiektów jak to tylko możliwe (na niebie, nie w rzeczywistości), światło naszej gwiazdy będzie maleć do jasności sprzed zjawiska mikrosoczewkowania – do jasności bazowej. Okazuje się, że w tym przypadku krzywa jasności gwiazdy będzie miała kształt dzwonu; nazywamy ją “krzywą Paczyńskiego”. Z obserwacji z łatwością możemy znaleźć takie parametry jak: wzmocnienie (wiemy ile razy gwiazda pojaśniała), długość trwania zjawiska (możemy zmierzyć ile czasu trwało zjawisko) no i jaka jest jasność bazowa gwiazdy soczewkowanej. Przykłady takich krzywych możemy zobaczyć m.in na stronie projektu OGLE: “System Wczesnego Ostrzegania OGLE (EWS)”

Krzywa zmian blasku mikrosoczewki grawitacyjnej oznaczaczonej symbolem OGLE-2005-BLG-071. Analiza tej krzywej doprowadziła do wniosku, że za mikrosoczewkowanie w tym wypadku odpowiedzialna naprawdopodobniej jest gwiazda okrążana w przez planetę o masie trzy razy większej od Jowisza. W momencie obserwacji planeta znajdowała się w odległości 3 AU od swojej macierzystej gwiazdy. Cały układ jest oddalony od Ziemi o około 15 000 lat świetlnych.

Krótko o głębokości optycznej

Jak często zdarzają się zjawiska mikrosoczewkowania podczas obserwacji centrum Galaktyki? Na to pytanie można odpowiedzieć, wiedząc ile mamy gwiazd w centrum Galaktyki i w jakim obszarze się one znajdują. Zakładając najprostsze modele Galaktyki okazuje się, że obserwując dwa miliony gwiazd (teleskop OGLE o polu widzenia ~35 x 35 minut kątowych, obserwuje około miliona gwiazd w czasie jednej, tej samej obserwacji) jedna z nich powinna być w tym momencie mikrosoczewkowana. Prosta definicja głębokości optycznej to właśnie prawdopodobieństwo tego ile gwiazd jest mikrosoczewkowanych w danym momencie czasu spośród miliona obserwowanych gwiazd. Wyrażamy to poprzez opis: jeśli jedna gwiazda z miliona jest w danym momencie mikrosoczewkowana piszemy, że głębokość optyczna wynosi 1 x 10-6, jeśli 5 gwiazd jest mikrosoczewkowanych, piszemy 5 x 10-6. Z najprostszych modeli galaktyki wynikało, że głębokość optyczna w kierunku do centrum Galaktyki powinna wynosić około 0.5 x 10-6, czyli innymi słowy pół gwiazdy na milion lub jedna na dwa miliony obserwowanych gwiazd powinna być w danym momencie mikrosoczewkowana. Pierwsze obserwacje przez grupy OGLE, MACHO i EROS oszacowały tą wartość na około 3.5 x 10-6, czyli siedmiokrotnie więcej niż z przewidywań teoretycznych! Coś było nie tak! Jedynym sensownym rozwiązaniem dla modeli teoretycznych było założenie, że nasza Galaktyka ma w centrum poprzeczkę. Tak, nasza Galaktyka ma w centrum poprzeczkę! Z modeli Galaktyki z poprzeczką można wyliczyć głębokość optyczną wynoszącą około 2 x 10-6. Z biegiem czasu okazało się, że mając do dyspozycji więcej znalezionych zjawisk mikrosoczewkowania, obserwacyjna wartość głębokości optycznej zbliżyła się do 2.4 x 10-6. Tym samym mikrosoczewkowanie grawitacyjne przyczyniło się do przypieczętowania istnienia poprzeczki w naszej Galaktyce!

Chciałbym zwrocić uwagę Czytelnika na to, że grupa OGLE monitoruje każdej nocy ponad 100 milionów gwiazd, co oznacza, że niejako na żywo możemy zauważyć jak dodawane są nowe punkty do krzywych jaśności. Zjawiska mikrosoczewkowania dzieją się własnie teraz Czytelniku, teraz kiedy czytasz ten artykuł! Aby sprawdzić ile soczewek obserwuje aktualnie grupa OGLE wystarczy wejść na stronę “Systemu Wczesnego Ostrzegania OGLE (EWS)”. Wszytkie krzywe nazwane OGLE-*tu_rok*-BLG-*tu_numer_soczewki* oznaczone czerwonymi kropkami, są w tym momencie trwającymi zjawiskami. Po kliknięciu na „numer telefonu soczewki (jej nazwę)” będziemy mogli zobaczyć krzywą Paczyńskiego, miejsce na niebie gdzie znajduje się soczewka, jak i podstawowe jej dane.

Gdzie są te planety?

Planety pozasłoneczne odkrywamy głównie czterema metodami: przy pomiarach prędkości radialnych (tą metodą odkrytych zostało ponad 180 planet pozasłonecznych, w tym układ potrójny gwiazd z planetą odkryty przez dra Macieja Konackiego – zobacz news 4949), przy chronometrażu pulsarów (tą metodą prof. Aleksander Wolszczan odkrył pierwsze pozasłoneczne planety), podczas obserwacji tranzytów (zobacz news news 4612 o obserwacjach tranzytu planety pozasłonecznej wykonanych przez studentów z Zielonej Góry) oraz ostatnio przy użyciu mikrosoczewkowania grawitacyjnego.

Przejście planety pozasłonecznej przed tarczą gwiazdy HD 209458

Wykres obok przedstawia obserwacje dwóch prześć planety pozasłonecznej przed tarczą gwiazdy o nazwie HD 209458. Zaczernione punkty przedstawiają uśrednione obserwacje z 20 pomiarów wykonane w nocy z 3 na 4 sierpnia 2004 roku. Puste punkty przedstawiają uśrednione obserwacje z 20 pomiarów w nocy z 10 na 11 sierpnia 2004 roku. Obydwa tranzyty obserwowane były przez studentów w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Zielonogórskiego. Czerwona przerywana linia przedstawia przewidywany spadek jasności (0,17%) spowodowany przejściem planety pozasłonecznej przed tarczą gwiazdy.

Wróćmy teraz do naszego prostego modelu mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Ponownie wyobraźmy sobie odległą gwiazdę i masywne ciało (np. inną gwiazdę) umieszczone pomiędzy nami a gwiazdą-źrodłem. Co się stanie jeśli nasz masywny obiekt (nasza soczewka) posiada planety? Okazuje się, że planety te będą dodatkowo zakrzywiać przestrzeń wokół siebie, co w efekcie przyczyni się do obrania przez światło innej drogi w ich pobliżu (ponownie wzdłuż linii geodezyjnej). W zależności o odległości planety od gwiazdy-soczewki, od ustawienia na orbicie oraz od stosunku mas planeta-gwiazda, na krzywej przypominającej dzwon pojawią się zaburzenia. Rozpoznanie co powoduje te zaburzenia pozwala astronomom ustalić z jaką planetą i o jakiej masie mają do czynienia. Generalnie, astronomowie budują model soczewki + planeta oraz źrodła o zadanych parametrach. Pararametry te zmienia się tak długo, aż sztuczna krzywa mikrosoczewkowania będzie jak najbardziej przypominała obserwowaną krzywą. Parametry, które zostały użyte do wysymulowania najlepiej pasującej krzywej są parametrami opisującymi rzeczywisty układ. To nie oznacza, że w 100% tak jest w rzeczywistości, ale z dużą dozą pewności tak jest! Wartości mas podawane przez odkrywców planet pozasłonecznych, podawane są na podstawie budowanych modeli i ich najlepszego dopasowania do obserwacji. W roku 2005 grupa OGLE ogłosiła odkrycie trzech planet: OGLE-2005-BLG-071, OGLE-2005-BLG-390 i OGLE-2005-BLG-169. Wszytkie te planety znajdują się bardzo daleko od nas – w odległości centrum Galaktyki, wynoszącej około 8 kpc, czyli około 26 000 lat świetlnych. Jest to dużo dalej niż możliwości zaobserwowania planet przy użyciu metody prędkości radialnej i chronometrażu pulsarów, wynoszącej około 200 pc. Krzywe jasności mikrosoczewkowania grawitacyjnego są bardzo czułe na masę planety. Można śmiało powiedzieć, że jesteśmy w stanie odkrywać planety o masach Ziemi… i to daleko stąd!

Szymon Kozłowski, Jodrell Bank Observatory, 7 kwiecień 2006

Wykres przedstawia zmiany blasku gwiazdy oznaczonej OGLE-2005-BLG-390, wokół której – w wyniku obserwacji zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego – odkryto planetę.

Od Autora: Niniejszy artykuł został napisany z założenia w stylu zrozumiałym dla Czytelników nie zajmujących się mikrosoczewkowaniem zawodowo i brak podstawowej teorii mikrosoczewkowania jest zabiegiem zamierzonym. Zjawiska i opisy zostały maksymalnie uproszczone, a całość została opisana na podstawie zjawiska z soczewką pojedyńczą.

Wykres przedstawiający zmianę jasności gwiazdy macierzystej w wyniku mikrosoczewkowania OGLE-2005-BLG-169Lb. Górna część obrazka przedstawia krzywą Paczyńskiego, natomiast dolna część przedstawia odchylenia od standardowej krzywej wzmocnienia (krzywej Paczyńskiego), spowodowane przez planetę.

Autor

Szymon Kozłowski

Komentarze

  1. White Haven    

    Granica — Zastanawia mnie jaka jest granica masy dla planety skalistej. Tzn, Od ilu mas ziemi możemy mówić jeszcze o planecie skalistej, a kiedy o gazowej. Opracowania zamieszczone w internecie sa w tej kwestii niejednoznaczne. Czy ktoś orientuje się gdzie przebiega granica?

    1. PaSKud    

      mnie sie wydaje 🙂 — mnie sie wydaje (czyli nie wiem ale tak sobie rozmyslam) ze te dwie rzeczy sa niezalezne to znaczy ze planeta moze sie skladac ze skalistego jadra i grubej atmosfery lub skalistego jadra i cienkiej atmosfery natomiast samo skaliste jadro moze miec najrozniejsze masy, nawet bardzo duze. To czy ma gruba atmosfere zalezy natomiast od srodowiska w jakim powstala – w jakie pierwiastki byl ten rejon bogaty, czy bylo to blisko czy daleko od gwiazdy, ktora w pewnej odleglosci po prostu nie pozwala sie wytworzyc atmosferze skladajacej sie np. z wodoru.

  2. Puchatech K.    

    Jeszcze jaśniej proszę 🙂 — Fajnie, że artykuł został napisany w przystępny sposób, dla osób ni w ząb się na tym nie znających (czyli dla mnie), ale nadal czegoś nie kapuje. Mianowicie, jak to się dzieje, że w przypadku metody mikrosoczewkowania grawitacyjnego mierzy się ‘pojaśnienie’ gwiazdy, a w przypadku metody obserwacji tranzytów mierzy się ‘pociemnienie’. Coś mi tu nie gra. Proszę o wyjaśnienie.

    1. simkoz    

      🙂 — W przypadku tranzytów planeta po prostu zasłania część tarczy gwiazdy – obserwujemy spadek jasności gwiazdy. Nie ma tu soczewki i źródła. Jest po prostu źrodło i obiegająca je planeta. Natomiast gdy rozpatrujemu mikrosoczewkowanie grawitacyjne mamy źródło (odległa gwiada) i soczewkę, którą okrąża planeta. Opis tego zjawiska jest w tekscie 😀

      1. Fallen    

        Obrazowo — Obserwujemy odległą gwiazdę. Dokładnie na drodze między Nami a nią w linii prostej jest inny obiekt masowy, który działa jako soczewka – zakrzywia światło biegnące od gwiazdy i wzmacnia je, przez co gwiazda ta jest bardzo dobrze widoczna. Jeżeli ta gwiazda ma planetę, to owa okrążając ową gwiazdę przyćmiewa ją w pewnych okresach tak jak przy tranzycie, powodując zmiany w jej jasności. Chyba że ja to źle rozumiem 😉

  3. Puchatech K.    

    Wszystko na marne — Czyli nie ma mikrosoczewkowania (źródło?gwiazda ? soczewka?planeta ? obserwator?Ziemia) tylko (źródło?gwiazda ? soczewka?planeta+słońce ? obserwator?Ziemia).

    A i te odkryte (metodą ms) planety są cholernie daleko od nas. No więc, czy jak już astronomowie znajdą jakąś planetę wielkości Ziemi to czy będą w stanie stwierdzić czy są na niej warunki zdatne do życia? (np. czy mogą ustalić mimośród, czytaj: czy raz jest zimno – raz jest piekarnik).

    1. simkoz    

      😀 — w mikrosoczewkowaniu masz: gwiazda-zrodlo daleko stad; tutaj masz obserwatora, czyli Ziemie, i gdzies pomiedzy nimi jest soczewka, skaladajaca sie z gwiazdy i planet(y).

  4. JarekP    

    Czym dokładnie jest “poprzeczka”? — Czy móglbym prosić o kilka dodatkowych słów na temat owej “poprzeczki”?
    Pozdrawiam

    1. simkoz    

      Poprzeczka — Galaktyki spiralne dzielimy na z i bez poprzeczki. W galaktykach spiralnych bez poprzeczki ramiona spiralne wydają się wybiegać gdzieś z okolic centrum, natomiast niektóre galaktyki spiralne posiadają podłużny twór w centrum o długości rzędu 20 000 lat świetlnych i ramiona spiralne “sprawiają wrażenie” jak by się zaczynały z konców poprzeczki.

      Polecam:
      http://pl.wikipedia.org/wiki/Galaktyka_spiralna_z_poprzeczk%C4%85
      http://pl.wikipedia.org/wiki/Droga_Mleczna
      http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=astronomia%2Fm_astronomia.html&former_url=http%3A%2F%2Fwww.fizyka.net.pl%2Fastronomia%2Fastronomia_oa9.html

Komentarze są zablokowane.