8 Minutės
Astronomai pirmą kartą sėkmingai nustatė tiek masę, tiek atstumą planetos, kuri laisvai plūduriuoja per Paukščių Taką be savo šeimininkės žvaigždės. Šis atradimas remiasi reta geometrija ir koordinuotais stebėjimais iš teleskopų Žemėje ir kosmose — tai šiuolaikinis dangaus detektyvų pavyzdys, atveriantis naują langą į planetų formavimąsi ir jų eikvojimo (išsiveržimo) mechanizmus.
Kaip tamsi, vieniša planeta atskleidė save
Klajojančios planetos yra ypač blankios ir beveik neįmanoma jų aptikti tiesiogiai. Vietoje to astronomai aptinka tokias objektus per gravitacinį mikrolęšį (gravitacinį mikrolęšiavimą): kai artimesnis objektas (pavyzdžiui, planeta) praeina tarp stebėtojo ir tolimos žvaigždės, jo gravitacija trumpam sulenkia ir sustiprina tos žvaigždės šviesą. Toks trumpalaikis švytėjimo pagerėjimas yra užuomina — tačiau norint iš to signalo išvesti objekto masę, reikia žinoti ir, kiek toli yra lęšis (lensing object). Tai tampa didžiuliu iššūkiu, kai lęšis yra bežvaigždė, t. y. neturi savo švytinčios žvaigždės, kurią būtų galima matuoti paprastais atstumų metodais.
2024 m. gegužės 3 d. keli Žemės paviršiaus observatorijos Čilėje, Pietų Afrikoje ir Australijoje nepriklausomai užfiksavo tokį mikrolęšiavimo įvykį. Ypač svarbu, kad pensijoje esantis ESA misijos Gaia kosminis aparatas taip pat stebėjo tą patį įvykį šešis kartus per 16 valandų, tuo metu esdamas maždaug 1,5 milijono kilometrų nuo Žemės. Toks mažas, bet reikšmingas stebėjimo taškų skirtumas sukėlė matomas laiko ir šviesumo poslinkio diferencijas tarp žemės ir kosminės stebėsenos, praktiškai suteikęs astronomams stereoskopinį lęšio matavimą.
Šis derinys — keli žemės observatorijų šviesos kreivių registravimas kartu su erdvėlaivio pozicijos suteikta paralakse — leido įveikti įprastą mikrolęšiavimo įvykių degeneraciją, kai iš šviesos kreivės be papildomų apribojimų neįmanoma vienareikšmiškai nustatyti objekto masės. Trumpai tariant, skirtingos stebėsenos vietos suteikė reikalingą geometriją masės ir atstumo atskyrimui.
Planetos sverimas paralakse: metodas už antraštės
Analizuodami šviesos kreives — ryškumo stiprėjimo ir silpnėjimo modelį — užfiksuotas iš dviejų skirtingų kampų, tyrėjai galėjo įvertinti lęšio atstumą. Kai atstumas žinomas arba bent jau gerai apribotas, galima panaudoti mikrolęšiavimo pagrindines lygtis ir ištrauką apie Einsteininį radių (Einstein radius) bei įvykio trukmę, kad būtų apskaičiuota tarpinio objekto masė. Tokiu būdu rezultatas: vieniša planeta, kurios masė siekia maždaug 22 procentus Jupiterio masės (apie 0,22 MJ), esanti maždaug 9 785 šviesmečių atstumu link Paukščių Tako centro.
Techniniu požiūriu šis matavimas remiasi keliomis kritinėmis priemonėmis:
- Mikrolęšiavimo šviesos kreivių tikslus fiksavimas (aukštos laiko raiškos fotometrija) iš kelių Žemės taškų, leidžiantis nustatyti įvykio pėdsaką ir pagrindinius parametrus (maksimumo laiką, įvykio trukmę t0 ir tE).
- Kosminės paralaksės matavimas: erdvėlaivio pozicija (Gaia, esant ~1,5 mln. km atstumu) suteikia papildomą geometrijos matmenį, kuris pakeičia įvykio laiką ir amplitudę lyginant su Žemę. Šie poslinkiai yra pakankamai dideli, kad būtų išmatuoti ir interpretuoti.
- Modeliavimas ir tikimybiniai įverčiai: naudojant Monte Karlo or Bayesian inferencijos metodus, mokslininkai suderino stebėjimo duomenis su fizikiniais modeliais, įtraukdami neapibrėžtumus ir galimas degeneracijas (pvz., tarp lęšio masės ir jo artumo šaltiniui arba ežektacijos scenarijų variantų).
Reikėtų pažymėti, kad šis tipo matavimas nėra paprastas „svėrimas“ tame tradiciniame prasme — tai sudėtinga grįžtamoji užduotis, kurioje matmenys, šviesos kreivės formos ypatumai ir tarpusavio laiko poslinkiai kartu atveria galimybę patikimai atskirti atstumą nuo masės. Kartu su žinomomis pozicijomis ir šaltinio charakteristikomis buvo pasiekta statistinė reikšmė, leidžianti priskirti planetai tą maždaug 0,22 MJ reikšmę.
Diagrame parodyta, kaip gravitacinis lęšiavimas sukėlė stebimą ryškumo kitimą, kurį registravo Žemės teleskopai ir Gaia kosmose, leidžiant apskaičiuoti objekto atstumą ir masę. (J. Skowron/OGLE)
Kodėl šis matavimas yra svarbus
Tokia masė — maždaug penktadalis Jupiterio — rodo, kad šis objektas greičiausiai susiformavo planetų sistemoje ir vėliau buvo išmestas dėl gravitacinių sąveikų, kurių pavyzdys primena kosmines biliardo kulkas: stiprios planetų-planetų arba planetų-žvaigždžių traukos perturbacijos gali suteikti pakankamai energijos, kad planeta įgytų pabėgimo greitį ir paliktų savo šeimininkės sistemą. Toks scenarijus yra vienas iš pagrindinių mechanizmų, kuriuo paaiškinamos laisvai plūduriuojančių planetų populiacijos kilmės hipotezės.
Patvirtinus tiek masę, tiek atstumą, astronomai gauna retą empirinių duomenų tašką, kuris leidžia testuoti teorinius modelius apie planetų formavimąsi, migraciją ir eikvojimą. Tai svarbu keliais aspektais:
- Populiacijų statistika: kiek dažnai planetos yra išmetamos iš savo sistemų priklauso nuo pradinės planetų masių paskirstymo, diskų dinamikos ir daugiasysteminių sąveikų. Vienas patikimas matavimas prideda prie bendro duomenų rinkinio ir padeda spręsti, ar laisvai sklandančių planetų gausa yra reikšminga.
- Mechanistiniai modeliai: planetų eikvojimas gali vykti per planetų-planetų susidūrimus ir išsiurbimus, žvaigždžių pralaidumo efektus ar net per supernovas tam tikrose aplinkose. Kiekvienas modelis meta skirtingus masių ir atstumų paskirstymo prognozes, tad tiesioginiai matavimai leidžia atskirti tinkamiausius scenarijus.
- Observacinės praktikos vertė: šis atvejis demonstruoja, kad derinant žemės ir kosmines observacijas galima patikimai įveikti masės–atstumo degeneraciją mikrolęšiavime. Tai parodo, kaip svarbu išlaikyti ir derinti įvairius stebėjimo išteklius, įskaitant pensinių misijų duomenis (pvz., Gaia) bei aktyvias žemės observatorijas (pvz., OGLE, MOA, KMTNet).
Kaip pažymėjo astrofizikas Gavin Coleman iš Queen Mary Londono universiteto, tokie koordinuoti stebėjimai parodo, kaip kosmoso ir žemės pagrindu veikiančios priemonės gali kartu įveikti įprastą mikrolęšiavimo neapibrėžtumą ir pateikti tiesioginius apribojimus klajojančių planetų savybėms. Panašūs rezultatai, paskelbti recenzuojamame žurnale Science, sustiprina pasitikėjimą metodų taikymu platesnėms anketoms.
Ką reiškia ateitis: platesnės paieškos ir greitesnės apžvalgos
Žvelgiant į priekį, Nancy Grace Roman kosminis teleskopas — numatytas paleisti 2027 m. — žymiai pakeis mikrolęšiavimo apžvalgas. Roman, turintis plataus lauko infraraudonųjų spindulių instrumentus, galės nuskenuoti didesnes dangaus sritis žymiai greičiau nei Hubble ir su geresne fotosensyvumu nei dauguma žemės teleskopų. Tai dramatiškai padidins galimybes užfiksuoti tokio tipo lęšiavimo įvykius, ypač tose dangaus dalyse, kuriose yra daugį žvaigždžių (pvz., Paukščių Tako centro kryptis).
Su Roman teleskopu mokslininkai tikisi aptikti daug daugiau izoliuotų, bežvaigždžių planetų ir patikslinti jų masių bei erdvinių paskirstymų statistiką. Tai leistų aiškiau nustatyti, kaip dažni yra eikvojimo įvykiai, kokios masės planetos dažniausiai tampa laisvai plūduriuojančiomis ir kaip šios planetos pasiskirsto pagal atstumą nuo Žemės. Be to, Roman suteiks reikšmingą sinergiją su žemės stebėjimais ir egzistuojančiomis kosminėmis misijomis (Gaia, Spitzer archyvas, būsimos misijos), todėl galimos plačios ir koordinuotos kampanijos.
Tačiau verta pabrėžti ir techninius apribojimus: nors Roman pagerins detekcijos greitį ir jautrumą, vis tiek reikės strategijų, kaip greitai sekti daug aptiktų įvykių, kaip integruoti įvairių priemonių duomenis ir kaip sumažinti modelių degeneracijas naudojant papildomas įtakas (pvz., spektrinius duomenis, jei įmanoma). Efektyvi duomenų analizė ir pažangūs statistiniai metodai bus būtini, kad būtų išskirtos tikros laisvai plūduriuojančių planetų signalai iš fono triukšmo ir dvigubų žvaigždžių sistemų.
Dabar šis matavimas tarnauja kaip koncepcijos įrodymas: kai laikas, geometrija ir koordinacija sutampa, net tamsiausia planeta be šeimininkės žvaigždės gali būti „pasverta“ iš kitos galaktikos pusės. Tai priminimas, kad atidi stebėsena — kartu su trupučiu kosminės sėkmės — gali apšviesti pačias klastingiausias Paukščių Tako kerteles.
Papildomas techninis kontekstas: mikrolęšiavimo signalas priklauso nuo kelių parametrų — įvykio trukmės (tE), maksimalios stiprės (Amax), Einsteininį kampinį radių (thetaE) ir šaltinio bei lęšio reliatyvios judėjimo trajektorijos. Dažnai be papildomos informacijos šių parametrų kombinacijos leidžia tik apytikslį masės įvertinimą, todėl paralaksės matavimas (arba kai kuriais atvejais šaltinio paviršiaus efektų stebėjimas) yra kritiškai svarbus. Gaia duomenys čia atliko lemiamą vaidmenį — net ir pašalinės misijos etape jos registruoti poslinkiai suteikė reikšmingą papildomą informacijos sluoksnį.
Taip pat svarbu paminėti, kad atrastoji planeta yra tik vienas iš pavyzdžių, ir nors ji suteikia vertingą empirinių patikrinimų tašką, platesnė statistika reikalinga, kad būtų galutinai patvirtinti tam tikri formavimosi ir eikvojimo modeliai. Būsimos apžvalgos, įskaitant Roman ir koordinuotus žemės observatorijų tinklus, suteiks reikiamus duomenis, kad būtų galima kurti tvirtesnius demografinius modelius.
Galiausiai, ši sėkmė pabrėžia tarpdisciplinišką bendradarbiavimą — nuo instrumentų inžinerijos iki statistinės fizikos ir teoretinės planetologijos. Kiekviena iš šių sričių prisidėjo prie to, kad galėjo būti atliktas toks tikslus matavimas ir interpretuotas jo reikšmė moksline prasme. Tokie tarptautiniai projektai ir duomenų mainai yra būtiniausias kelias į priekį, norint suprasti, kiek mūsų galaktikoje yra „laisvų“ pasaulių ir kokia yra jų kilmė bei likimas.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą