Odległe światy

Poszukiwania drugiej Ziemi

Minęły tysiące lat, zanim ludzie porządnie poznali Ziemię, a kolejnych kilka stuleci zabrało nam zdobycie wiedzy o planetarnych sąsiadkach z Układu Słonecznego. Dziś nowe światy odkrywa się niemal co tydzień. Astronomowie, którym dotychczas udało się zidentyfikować ponad 400 planet „pozasłonecznych”, czyli obiegających inne gwiazdy niż Słońce, zawzięcie szukają czegoś znajomego: planet przypominających Ziemię, krążących wokół swych gwiazd we „właściwej” – ani za dalekiej, ani zbyt bliskiej – odległości, pozwalającej mieć nadzieję, że panują na nich warunki sprzyjające rozwojowi form życia podobnych do tych, jakie znamy. Do tej pory nie udało się znaleźć drugiej Ziemi, pewnie dlatego, że w kosmicznej skali taki obiekt nie rzuca się w oczy. Próby dostrzeżenia planety tak małej i słabo świecącej jak nasza na tle blasku gwiazdy można porównać do poszukiwania świetlika w feerii sztucznych ogni. Wykorzystując jednak możliwości współczesnej techniki, astronomowie szybko zbliżają się do chwili, gdy będą w stanie nie tylko odkryć drugą Ziemię, ale i zbadać, czy są na niej ślady życia.

Jak dotąd udało się sfotografować tylko 11 planet pozasłonecznych. Wszystkie były znacznie większe od Ziemi, jasne i krążyły w wystarczająco dużej odległości od swych gwiazd. Większość pozostałych wykryto dzięki dopplerowskiej analizie widma promieniowania gwiazd, która pozwala wychwycić nawet minimalne odchylenia toru ich ruchu zachodzące pod wpływem przyciągania grawitacyjnego otaczających planet. Astronomowie mogą już rejestrować zmiany ruchu gwiazdy następujące z szybkością zaledwie jednego metra na sekundę, czyli szybkością piechura. To wystarcza do wykrycia obecności gigantycznej, oddalonej planety albo małej, jeżeli ma bardzo ciasną orbitę. Wciąż nie pozwala jednak wychwycić ziemiopodobnego globu krążącego po porównywalnie odległej orbicie – 150 mln km od Słońca. Ziemia działa na Słońce tak słabo, że zmienia jego ruch o wartość z grubsza dziesięć razy mniejszą, mniej więcej równą szybkości, z jaką porusza się raczkujące dziecko. Na razie nie potrafimy jeszcze wychwycić tak mikroskopijnej zmiany blasku odległych gwiazd.

Ale są i inne sposoby, np. rejestrowanie okresowych spadków jasności gwiazdy, które zobaczymy, gdy krążąca wokół niej planeta przesuwa się na jej tle i częściowo blokuje wysyłane przez słońce światło. Jednak najwyżej w co dziesiątym ze wszystkich układów planetarnych orbity leżą w takiej płaszczyźnie, że minizaćmienia – nazywane fachowo tranzytami – możemy śledzić z Ziemi, co oznacza, że trzeba obserwować wiele gwiazd przez cały czas, by wychwycić zaledwie kilka z nich. Francuski satelita COROT krążąc w kosmosie przez trzy lata, odkrył tą metodą siedem pozasłonecznych planet, z których jedna jest zaledwie o 70 proc. większa niż Ziemia.

Bardziej zaawansowanym następcą COROT- a jest amerykański satelita Kepler. Wykonuje on co 30 minut zdjęcie, rejestrując światło ponad 100 tys. gwiazd, jakie świecą na sferze niebieskiej między gwiazdą Deneb a Wegą. Ich jasność przez cały czas śledzą komputery, informując ludzi za każdym razem, gdy wykryją nieznaczny spadek jasności gwiazdy mogący być efektem przejścia planety przed widoczną z Ziemi powierzchnią dalekiego słońca.

Podobne zmiany jasności gwiazdy mogą jednak wynikać z innych przyczyn, np. przemieszczania się dużych plam po jej powierzchni albo odzwierciedlać zjawisko pulsacji gwiazd zmiennych. Dlatego badacze z zespołu Keplera nie ogłaszają odkrycia planety, póki nie zaobserwują co najmniej trzech tranzytów, co może oznaczać kilka dni lub tygodni obserwacji w przypadku globu szybko obiegającego swą gwiazdę, ale wielu lat w przypadku bliźniaczej siostry Ziemi. Astronomowie mają też nadzieję, że połączenie obserwacji Keplera z wynikami analizy dopplerowskiej pozwoli im na dokładniejsze określenie średnic i mas tranzytujących planet. Jeśli dzięki temu odkryją skalny glob o rozmiarach zbliżonych do Ziemi, krążący w ekosferze – czyli na tyle daleko, by znajdująca się na nim hipotetycznie woda nie odparowała całkowicie, a jednocześnie na tyle blisko, by nie zamieniła się cała w lód – jest szansa, że będzie to świat, w którym znajdziemy też życie.

Najbardziej obiecujące pod tym względem wydają się gwiazdy karłowate, mniejsze niż Słońce. Są w kosmosie powszechne (siedem z dziesięciu najbliższych Ziemi gwiazd to karły typu widmowego M), a ich życie jest długie i stabilne, dzięki czemu mogą zapewnić stały dopływ świetlnej energii ewentualnym planetom krążącym w ich ekosferach. Łowcy planet wiedzą przy tym, że im mniejsza jest jasność gwiazdy, tym bliżej niej zaczyna się ekosfera – słabo świecące słońca są jak małe ogniska, przy których trzeba blisko usiąść, żeby się ogrzać – a to oznacza, że czekanie na tranzyt szybciej może przynieść efekty. Planeta krążąca bliżej gwiazdy silniej też wpływa na nią grawitacyjnie, co ułatwia jej wykrycie metodą dopplerowską. Najbardziej obiecująca „superziemia”, jaką do tej pory odkryto – Gliese 581 d, o masie siedmiokrotnie większej niż Ziemia – krąży w ekosferze czerwonego karła o masie trzykrotnie mniejszej niż Słońce.

Gdyby okazało się, że w ekosferach innych gwiazd rzeczywiście krążą planety podobne do Ziemi, dalsze poszukiwania śladów życia można by prowadzić przy użyciu specjalnie zaprojektowanego kosmicznego teleskopu. Rejestrowałby on całe widmo światła każdej planety i analizował je pod kątem tzw. biosygnatur, czyli np. występowania w jej atmosferze metanu, ozonu i tlenu lub nienormalnie wysokiej składowej podczerwonej widma, pojawiającej się w miejscach, gdzie zawierające chlorofil rośliny czerpiące energię z fotosyntezy odbijają ten rodzaj promieniowania od powierzchni. Bezpośrednia rejestracja i analiza promieniowania globu o jasności 10 mld razy mniejszej niż jasność jej macierzystej gwiazdy to niezwykle trudne wyzwanie. Ale podczas tranzytu światło gwiazdy przenika przez atmosferę planety i dalej niesie ze sobą informacje o jej składzie, jaką łatwiej będzie wychwycić ziemskim teleskopom.

Próbując dokonać chemicznej analizy składu planet, których nawet nie daje się zobaczyć, naukowcy poszukujący pozaziemskiego życia muszą pamiętać, że owo życie może mieć zupełnie inną postać niż to znane z Ziemi. I tak np. brak wzrostu podczerwonej składowej widma nie musi oznaczać, że nowa ziemia jest pozbawiona życia: u nas też rozwój życia o miliardy lat wyprzedzało pojawienie się roślinności pokrywającej kontynenty i produkującej chlorofil. Ewolucja biologiczna jest ze swej natury tak nieprzewidywalna, że nawet gdyby życie pojawiło się na planecie dokładnie takiej samej jak Ziemia i w tym samym czasie, co tu, dziś niemal na pewno bardzo różniłoby się od naszego.

Naukowcy szukają nie tylko takich planet pozasłonecznych, które przypominałyby współczesną Ziemię, ale i podobnych do Ziemi z przeszłości lub takich, jaką mogłaby się stać. – Współczesna Ziemia jest przypuszczalnie najgorszym wzorcem do poszukiwania życia w układach pozasłonecznych – zauważa Caleb Scharf, dyrektor Centrum Astrobiologii na Uniwersytecie Columbia.

Dawniejszym odkrywcom nie było łatwo badać głębiny oceanów, kreślić mapy niewidocznej strony Księżyca czy szukać śladów oceanów pod zamarzniętymi powierzchniami jowiszowych księżyców. Dzisiejszym nie będzie łatwo odnaleźć życie na planetach wokół innych gwiazd. Mamy jednak podstawy, by wierzyć, że w kosmosie istnieją miliardy takich planet, kryjących w sobie nie tylko nieznaną nam dziś wiedzę, ale i poszerzających granice ludzkiej wyobraźni.

Polscy łowcy planet

Liczba planet odkrywanych przy obcych gwiazdach rośnie z roku na rok, ale do historii przejdzie odkrywca pierwszej – Aleksander Wolszczan. Ironią losu jest, że polski astronom znalazł pierwsze planety poza Układem Słonecznym, wcale ich nie szukając. Celem jego obserwacji były nowe gwiazdy neutronowe zwane pulsarami. Te kosmiczne latarnie wysyłają w przestrzeń radiowe sygnały z taką regularnością, że można według nich nastawiać atomowe zegary. Ale rytm odkrytego przez Wolszczana pulsara PSR B1257+12 coś zakłócało. Można było złożyć to na karb niedokładności przyrządów lub pomiarów, ale badacz w przebłysku geniuszu pomyślał, że zakłócenie może być efektem obecności w pobliżu gwiazdy mniejszych ciał – krążących wokół niej planet. Szczegóły odkrycia opublikował w 1992 r. w Nature. Współautorem pracy był Kanadyjczyk Dale Frail, który ustalił precyzyjne położenie pulsara w konstelacji Panny, tysiąc lat świetlnych od nas. – Po części ten układ planetarny jest kopią Układu Słonecznego, choć w pomniejszonej skali – konkluduje prof. Wolszczan. Ale życia podobnego do ziemskiego prawie na pewno tam nie ma, bo pulsar emituje promieniowanie śmiertelne dla żywych istot. Co więcej, energia tego promieniowania powinna przeciwdziałać tworzeniu się samych planet, przynajmniej na zasadach, na jakich powstawały w naszym Układzie, czyli z obłoku gwiezdnego pyłu, który zagęszczał się, wirując wokół macierzystej gwiazdy. – Istnienie pulsarowych planet może dowodzić, że skaliste globy często rodzą się w kosmosie, skoro tworzą się nawet w tak trudnym otoczeniu – mówi prof. Wolszczan.

Wolszczan uświadomił nam, że Układ Słoneczny nie jest w kosmosie wyjątkowy, a jego przełomowe odkrycie było kamyczkiem, który poruszył lawinę. W poszukiwanie nowych Ziem szybko zaangażowały się wielkie agencje kosmiczne i prestiżowe ośrodki naukowe.

Inny nasz rodak, Bohdan Paczyński (zmarły dwa lata temu profesor Uniwersytetu Princeton), wpadł na nowy pomysł, jak odkrywać na niebie obiekty małych rozmiarów (np. czarne dziury lub właśnie planety), których nie widać, bo nie świecą lub świecą bardzo słabo. Otóż jeżeli taki ciemny obiekt znajdzie się na drodze promieni światła z odległej gwiazdy, to zakrzywi ich bieg. Zadziała jak soczewka (astronomowie mówią – grawitacyjna) i na chwilę wielokrotnie wzmocni blask gwiazdy. Samej soczewki nie widać, ale porównując parametry obserwowanej gwiazdy przed i w trakcie zjawiska, można odczytać, czy to, co ugięło jej promieniowanie, było planetą.

Do poszukiwania soczewek grawitacyjnych jako pierwsi zabrali się astronomowie z Obserwatorium Uniwersytetu Warszawskiego w ramach projektu OGLE. Zrobili to, o czym żaden astronom dotąd nie myślał. Ponieważ nie sposób przewidzieć, gdzie pojawi się soczewka i która z milionów gwiazd dzięki niej nagle pojaśnieje, Polacy zamiast obserwować tylko jedną gwiazdę, jak to dotychczas robiono, fotografowali od razu duży fragment nieba, a potem go przeszukiwali. Każdej nocy dzięki komputerom mierzyli i analizowali jasność wielu tysięcy gwiazd jednocześnie. Przypominało to trochę szukanie igły w stogu siana, ale przyniosło spektakularny sukces.

Kiedy w 1999 r. redakcja Nature wybrała najbardziej znaczące prace z dziedziny fizyki, które ukazały się na łamach tygodnika, obok tekstów m.in. Einsteina i Roentgena znalazł się też artykuł prof. Wolszczana o pierwszej pozasłonecznej planecie. Dziś odkrywanie takich obiektów stało się codziennością. Czy dożyjemy czasów, gdy na jednej z nich znajdziemy życie? I czy to życie będzie takie, jakiego szukaliśmy?