Pátranie po cudzích planétach obiehajúcich svoje materské hviezdy patrí v súčasnosti medzi tie najzaujímavejšie astronomické činnosti, ktoré so sebou pritiahnu vždy veľa pozornosti.

Je všade okolo nás. Vedci po 70 rokoch konečne zmerali najzáhadnejší typ hmoty

Efektivitou preráža strop. NASA postavila revolučný motor

Stal sa zázrak. Legendárna sonda opäť prekvapivo komunikuje so Zemou

Pri objavovaní rôznych zákutí vesmíru často aj tie najmenšie odchýlky meraní prezradia mnoho informácií. Ak napríklad takéto zakolísanie spozorujeme pri cudzích hviezdach, môže ísť o znak prítomnosti exoplanéty.

Tie sú často zdrojom všakovakých senzácií a špekulácií, ale samozrejme i nesmierne dôležitých vedeckých poznatkov. Svoje o tom vie aj vedecký pracovník stelárneho oddelenia Astronomického ústavu Slovenskej akadémie vied, Mgr. Ľubomír Hambálek, PhD. Vyštudovaný astronóm a astrofyzik sa momentálne venuje výskumu dvojhviezd, premenných hviezd, ale vo svojom repertoári skrýva aj štúdie exoplanét.

Astronomickému výskumu sa venuje už 20 rokov a nám prezradil ako je to s exoplanétami v skutočnosti a čo všetko sa o nich môžeme dozvedieť.

Čo sa dozvieš v rozhovore?

• Čo sú exoplanéty a v čom sa líšia od planét v Slnečnej sústave
• Ako je to s planétami podobnými Zemi
• Akú majú exoplanéty atmosféru
• Či je možné z pozorovaní zistiť prítomnosť života
• Ako exoplanéty objavujeme a aké sú technické obmedzenia
• Ako je to s astronómiou na Slovensku

V poslednom období akoby sa roztrhlo vrece s detekciou exoplanét. Čo všetko však rozumieme pod pojmom exoplanéta? Môže byť každá planéta označená týmto pojmom?

V najširšom slova zmysle je exoplanéta, alebo správnejšie extrasolárna planéta, planéta mimo Slnečnej sústavy. Väčšinou obieha okolo materskej hviezdy, ktorou nie je naše Slnko, prípadne môže putovať voľne vo vesmíre. Pre kandidátov na exoplanéty taktiež platí v súčasnosti obmedzenie, že ich odhadovaná hmotnosť je menšia ako približne 60 hmotností planéty Jupiter.

Vieme ako tieto planéty približne vyzerajú? Podobajú sa planétam nachádzajúcim sa v našej Slnečnej sústave?

O vzhľade konkrétnych planét veľa nevieme. Z pozorovaných vlastností ako sú polomery, hmotnosti, odhadované hustoty, alebo teploty na základe ich vzdialenosti od materskej hviezdy, si vieme urobiť predstavu o tom, či ide o plynné obrie planéty (ako Jupiter), menšie plynné planéty (ako Neptún), alebo planéty s pravdepodobne pevným povrchom (podobné Zemi).

Ich polomery bývajú spravidla väčšie, než planéty, ktoré poznáme. Oveľa ľahšie sa hľadajú veľké a hmotné planéty, ktoré sú navyše blízko materskej hviezde. Tieto nazývame Horúce Jupitery, pretože teploty v ich atmosfére poľahky presiahnu 1000°C. Niektoré z nich sa dokonca vyparujú. Z tohto teda vidíme, že väčšina z nich sa na to, čo poznáme z našej Slnečnej sústavy, neponáša.

Podľa dostupných informácií existuje aj niekoľko desiatok exoplanét, ktoré sa svojim spôsobom podobajú na našu domovskú planétu. Čo všetko majú extrasolárne planéty a Zem spoločné?

Zo Slnečnej sústavy vieme, že telesá, ktoré sú dostatočne veľké a ťažké (planéty), si udržujú guli podobný tvar. Ak sú oveľa ťažšie, majú husté plynné atmosféry a ich priemerná hustota je nižšia. Zemi podobné exoplanéty sú telesá s vyššou priemernou hustotou a pevným povrchom. Je tu aj možnosť, že je čiastočne, alebo celkom tvorený tekutým oceánom, prípadne zamrznutým ľadovým príkrovom. Oboje závisí hlavne na teplote planéty.

V čom sú naopak rozdiely?

Takéto exoplanéty sa nazývajú aj super-Zeme. Slovíčko super je tu vo význame „nad“, teda polomery týchto planét sú spravidla väčšie, než polomer Zeme. S približne rovnakou odhadovanou hustotou majú aj vyššie hmotnosti. Teda, ich gravitácia na povrchu je silnejšia. Zatiaľ poznáme takéto planéty hlavne pri hviezdach menších, než Slnko, t.j. pri červených trpaslíkoch. Zároveň sú tieto exoplanéty oveľa bližšie ku hviezde, takže ich obežné doby (ich „rok“) rátame na dni, nie na roky.

Ako je to s atmosférami exoplanét? Dokážeme z pozorovaní určiť, či predmetná planéta má atmosféru?

Zatiaľ je to možné hlavne pri tých najväčších planétach, ktoré majú aj hrubé a husté atmosféry. Plynný obal je nerovnako priepustný pre rozličné vlnové dĺžky svetla. Teda ak planéta s atmosférou prechádza popred hviezdu a my to pozorujeme v rôznych farebných filtroch, jej zdanlivý polomer sa v závislosti od vlnovej dĺžky mení.

Takisto, keď hmotnosť a polomer zodpovedá napríklad trojnásobku Jupitera, je isté, že planéta musí mať nejakú plynnú atmosféru. Oveľa horšie je to pri Superzemách. Tu sa zatiaľ môžeme len dohadovať. Síce existujú merania od roku 2016, ktoré ukazujú náznaky prítomnosti niektorých plynov, napríklad vodíka a hélia, rôznych molekúl, zatiaľ sú však značne nepresné, hlavne čo sa týka percentuálneho zastúpenia.

Ako je to potom so zložením atmosféry? Vieme z pozorovaní zmerať jej hustotu, zloženie a iné charakteristické črty?

To je práve to, čo ešte jednoznačne nevieme. V súčasnosti sme v štádiu, že najlepšie prístroje dokážu maximálne odhaliť prítomnosť absorpčných čiar zodpovedajúcim niektorým molekulám. Potom sa v počítači namodeluje spektrum, ako by asi mohlo vyzerať pri predpokladanom zložení, teplote a tlaku. Rôzne spektrá sa však od seba nemusia natoľko líšiť, aby pri súčasných meraniach bolo možné jednoznačne rozhodnúť, ktoré z nich lepšie zodpovedá pozorovaniam. Skrátka, je ťažké pozorovať odrazy od mince v blízkosti obrovského svetla ako z futbalového štadióna na vzdialenosť napr. Marsu.

Do hry prichádzajú vedci, ktorí v počítačoch modelujú chémiu takej atmosféry, jej predpokladané zloženie, reakcie, závislosť  teploty a tlaku na hĺbke a podobne. V niektorých extrémnych prípadoch veľmi horúcich atmosfér plynných obrov sa predpokladá prítomnosť uhlíka (diamantov), prípadne oxidov kremíka (skla) v atmosfére.

Prečo niektoré exoplanéty stratili svoju atmosféru?

Strata atmosféry je prirodzený proces, ktorý prebieha aj v Slnečnej sústave (napr. Mars). Na udržanie si atmosféry musí mať planéta dostatočnú hmotnosť, aby na plyn pôsobila gravitačne. Zároveň, molekuly v atmosfére sa pohybujú chaoticky a tým rýchlejšie, čím majú vyššiu teplotu. Ak svojou rýchlosťou prekonajú tiaž planéty, uniknú do vesmíru. Ak sa to deje po dlhý čas, veľká časť atmosféry sa takto môže vypariť. Zároveň sa tak môže zmeniť jej chemické zloženie.

Ako som spomínal, poznáme veľa exoplanét, ktoré sú veľké a ťažké ako niekoľko Jupiterov, ale zároveň svoju hviezdu obiehajú bližšie, než Merkúr Slnko. Teploty ich atmosfér sú veľmi vysoké a tak sa molekuly plynov pohybujú veľmi rýchlo a ľahko uniknú. Za niektorými planétami sa doslova vytvorí plynný chvost, ktorý môžeme pozorovať. Merali a modelovali sme ich aj u nás.

Je z pozorovaní možné zistiť, či daná planéta disponuje podmienkami vhodnými pre život?

Často sa v tejto súvislosti hovorí od tzv. „zóne života“, ktorá je vágne určená ako vzdialenosť od hviezdy, aby na tej-ktorej exoplanéte bola povrchová teplota umožňujúca existenciu tekutej vody. Táto teplota závisí od materskej hviezdy a na vzdialenosti planéty od nej. Teda, je ju možné určiť z pozorovaní.

Čo všetko exoplanéty musia spĺňať, aby ich bolo vôbec možné považovať za planéty s priaznivými podmienkami pre život? Bolo by vôbec možné aj na tieto ohromné vzdialenosti detegovať prítomnosť života?

Hneď na úvod, problém je definovať „podmienky vhodné pre život (na Zemi)“. Ide o prítomnosť a zloženie atmosféry? Možno nie. Ide o tečúcu vodu na povrchu? Možno nie.

Človek, typicky povie, že ľad sa topí pri 0°C a voda sa vyparuje pri 100°C. Tak sú aj stanovené hranice teploty pre zónu života. Toto však platí len pri atmosférickom tlaku na úrovni mora na Zemi. Musíme predpokladať, že podobný tlak by bol aj na našej exoplanéte, čo však nemusí byť pravda. Pri nižšom tlaku vrie voda pri menej ako 100°C, čo dobre vedia všetci horolezci, ale aj kolegovia na Skalnatom Plese a Lomnickom štíte.

Dnes sa často hovorí aj o tom, že v Slnečnej sústave by mohli existovať mesiace planét s oceánom vody pod hrubou ľadovou vrstvou na povrchu. Život by mohol v nich teoreticky prekvitať pri podmorských lávových komínoch, ako na dne pozemských oceánov. Mohlo by to tak byť aj v prípade exoplanét, hoci nemajú ani atmosféru, ani povrchovú tečúcu vodu.

Navyše, menšie červené hviezdy, ktorých je v Galaxii najviac, bývajú nepokojné. Veľmi časté sú erupcie, ktoré vyvrhujú nabité častice a UV žiarenie. Ak by mal život existovať na povrchu takej exoplanéty, asi by mu neprospievalo, keby ho takéto žiarenie neustále bombardovalo. Pomôcť by mohla hustejšia atmosféra, ale aj magnetické pole. Možnože by bol život možný len na odvrátenej – nočnej strane planéty.

Život, ako ho poznáme, by sa mohol prejaviť napríklad prítomnosťou kyslíka, alebo metánu v atmosfére. To je však asi hudba budúcnosti a presnej kozmickej spektroskopie. Schodnejšie sa môže javiť meniaca sa odrazivosť planéty v infračervenom svetle. Mohla by to spôsobovať napríklad vegetácia, ako poznáme z družicových snímok Zeme. Tiež je to však záležitosť budúcnosti.

Značná časť objavených exoplanét sa nachádza v blízkosti svojej hviezdy, má to niečo spoločné s metódami ako ich objavujeme?

Áno. Dve hlavné a najproduktívnejšie metódy objavu exoplanét sa nazývajú metóda tranzitov a metóda radiálnych rýchlostí.

Pri prvej pozorujete dlhodobo zvolenú hviezdu a čas od času jej jas na nejakú dobu poklesne. Bavíme sa tu o úrovni menej ako pol percenta. Ak sa to opakuje pravidelne, môže to byť exoplanéta. Treba však vylúčiť niektoré špeciálne prípady, kedy môže ísť v skutočnosti o dvojhviezdu. Preto označujeme tieto objekty zatiaľ iba ako kandidátov na exoplanéty.

Čím väčšie teleso prechádza popred materskú hviezdu, a čím je k nej bližšie, tým väčšiu časť jej svietiaceho disku zakryje a pokles jasnosti je ľahšie pozorovateľný. Skoro ako keď si porovnáte fotografie z prechodu Venuše pred Slnkom z 6.6.2012 a z prechodu menšieho Merkúra z 11.11.2019.

Pri tej druhej metóde skúmame rýchlosť materskej hviezdy pomocou spektrálnych čiar. Exoplanéta vlastne neobieha okolo hviezdy, ale obidve okolo spoločného ťažiska. My sledujeme rýchlosť hviezdy voči ťažisku, ktorá sa pravidelne mení. To spôsobí, že sa spektrálne čiary hviezdy mierne posúvajú k modrej alebo červenej farbe, podľa toho, či sa hviezda k nám približuje, alebo vzďaľuje a tiež, ako rýchlo.

Čím hmotnejšia je obiehajúca exoplanéta a čím bližšie obieha, tým väčšiu rýchlosť nameriame. Takže obidve metódy sú citlivejšie na väčšie (a ťažšie) exoplanéty, zároveň aj na tie, ktoré obiehajú bližšie. Okrem toho, blízka planéta obehne hviezdu za kratší čas. Teda za isté časové obdobie zaznamenáte viacej obehov, čo potom uľahčuje ďalšiu analýzu.

Vieme detegovať aj celé planetárne systémy, vrátane najvzdialenejších planét, alebo iba planéty nachádzajúce sa blízko svojej domovskej hviezdy?

V súčasnosti (23.3.2021) evidujeme 3472 materských hviezd a z toho asi pätina (771) je obiehaná minimálne dvomi exoplanétami. Zatiaľ najviac planét, až osem, je známych v sústave zvanej Kepler-90. Dá sa povedať, že pri objave a potvrdení sa ide väčšinou od tých najvnútornejších po tie najvzdialenejšie.

Detekcia vzdialených je skôr výnimočná, ale hlavne preto, že spomínané metódy sú na ne menej citlivé. Napríklad, planéta môže obiehať hviezdu pod takým sklonom v kombinácii s jej vzdialenosťou, že pri pohľade zo Zeme nedochádza k tranzitu a tak o nej nevieme. Sú aj možnosti, ako z pozorovaní už známych exoplanét odvodiť prítomnosť ďalšej, hoci jej tranzity sú nepozorovateľné. Spravidla je to však ťažká a veľká planéta.

Existuje napríklad iná metóda, pri ktorej sa umelo „zacloní“ jas materskej hviezdy a pozorujú sa vzdialené jasné bodky, ako ju obiehajú, ale táto je použiteľná len pre vzdialené veľké planéty a zároveň najbližšie hviezdy.

Všeobecne si ale myslíme, že tam, kde existuje aspoň jedna planéta, nie je dôvod, aby nebola ďalšia. Taktiež, podľa toho, čo vieme o formovaní Slnečnej sústavy a hviezdnych protoplanetárnych diskoch, je zrejmé, že v ranej exoplanetárnej sústave vznikne naraz niekoľko planét.

Mohli by ste popísať ako také pozorovanie / detegovanie exoplanét prebieha?

Dnes sa na hľadanie a detekciu skôr používajú špeciálizované kozmické ďalekohľady/družice alebo pozemské prehliadky, ktoré sledujú veľké časti oblohy po dlhý čas. V minulosti to bol priekopník Kepler, teraz jeho funkciu plní družica TESS.

Veľké množstvá dát sa automaticky spracovávajú – odstraňujú sa rôzne šumy, umelé artefakty v snímkach a vytvára sa dlhý časový rad jasnosti hviezd. Potom sa v ňom hľadajú pravidelné poklesy jasnosti. Ak sa nájdu, spočíta sa fyzikálny model, ktorý predpovedá, aký by mal mať daný objekt polomer, obežnú dobu, odhaduje sa jeho hmotnosť.

Takto sú označení kandidáti, ktorých je potrebné preskúmať inou metódou, spravidla pomocou radiálnych rýchlostí. Často sa tým zaoberajú tie najväčšie ďalekohľady sveta. Niektoré jasné a blízke materské hviezdy je možné pozorovať aj menšími, napr. našim 1,3m-ďalekohľadom na Skalnatom Plese. Na potvrdenie jedinej exoplanéty potrebujete hviezdu pozorovať viacero nocí. Pri veľkom počte kandidátov sa dnes „uživia“ všetky ďalekohľady, ktoré sú schopné ich pozorovať.

Čo dokážeme z takýchto pozorovaní všetko vyčítať?

Už z dvoch po sebe idúcich tranzitov máme obežnú dobu predpokladanej exoplanéty. Jeho hĺbka závisí na pomere polomeru exoplanéty a jej materskej hviezdy. Takisto sa dá určiť pomer vzdialenosti planéty a polomeru hviezdy.

Na ich presné hodnoty tak potrebujeme poznať polomer hviezdy, čo musíme žiaľ iba odhadnúť. Dá sa odhaliť prítomnosť inej exoplanéty, prítomnosť atmosféry, vypočítať teplota. Kombináciou iných metód vieme doplniť presnejšiu hmotnosť exoplanéty a tak určiť aj strednú hustotu, ktorá nám môže pomôcť rozhodnúť, či ide o plynnú planétu.

Je možné pretransformovať údaje získane z pozorovaní exoplanét do našej Slnečnej sústavy?

Už prvá objavená exoplanéta (Dimidium) pri „bežnej“ hviezde (51 Pegasi) bola malým šokom. Ukázalo sa, že ide o polovičného Jupitera obiehajúceho svoju hviezdu raz za 4,2 dňa. Pre porovnanie, tomu nášmu Jupiteru trvá jeden obeh takmer 12 rokov, kým najvnútornejšej planéte Slnečnej sústavy, Merkúru, asi 88 dní.

Poznáme sústavy planét, ktoré sú oveľa „tesnejšie“, ako tá naša. Napr. celá sústava Trappist-1 sa skôr podobá Jupiteru s jeho galileovskými mesiacmi. V tomto ohľade sú to naozaj zvláštne cudzie svety. Zároveň to dáva otázky, ako sa takéto sústavy sformovali, keďže plynné planéty sa nemohli vytvoriť tak blízko pri hviezde.

Museli preto nejakým fyzikálnym mechanizmom migrovať zo vzdialenejšej dráhy na veľmi blízku. Ak sa na svojej ceste priblížili k menšej planéte, mohli ju pokojne vyhodiť do vesmíru a stala by sa z nej potulná exoplanéta.

Pozorovania sú takmer výhradne uskutočňované tzv. nepriamymi metódami. Ako je to s priamym pozorovaním?

Spomínal som už metódu „zaclonenia“ jasu hviezdy. Tak je možné priamo zachytiť odrazené svetlo od vonkajších planét v sústave. Jasnosť týchto bodiek však nezávisí len od veľkosti planét a teda okrem ich existencie, vzdialenosti a predpokladanej obežnej doby o nich nič nevieme.

Niekedy pomôže aj blízka hviezda, ktorá vyvolá zakrivenie svetla z oveľa vzdialenejšej sústavy. Pomocou gravitačnej mikrošošovky sa tak dá zistiť prítomnosť planéty aj u veľmi vzdialených hviezd. Napríklad v roku 2006 sa tak odhalila planéta 5-násobku hmotnosti Zeme obiehajúca hviezdu vzdialenú od nás až 22 tisíc svetelných rokov.

Aké sú najväčšie prekážky pri priamom pozorovaní? Je to so súčasnými technológiami vôbec možné?

Ak nerátame návštevu medzihviezdnej sondy, tak by sme potrebovali ďalekohľad s priemerom asi 50 km, aby sme odfotili planétu veľkosti Zeme pri najbližšej hviezde na minimálne 3×3 pixely. Obávam sa, že hrubou silou to ľahko nepôjde, musíme byť vynaliezaví. Možno v budúcnosti pomôže presne laserovo previazaná flotila ďalekohľadov vo vesmíre.

Čo považujete za najväčšie technologické výzvy?

Uvidíme, ako si bude počínať nástupca Hubbleovho ďalekohľadu – Vesmírny ďalekohľad Jamesa Webba (JWST), ktorý snáď odštartuje koncom roku 2021. Mal by pozorovať v infračervenej oblasti, teda tam, kde sa aj exoplanéty viac prejavujú svojou povrchovou teplotou.

Očakávame viac informácií o atmosférach exoplanét. Zároveň Európske južné observatórium stavia najväčší pozemský ďalekohľad (ELT v Čile) so zrkadlom priemeru 39 metrov. Mal by mať oveľa lepšiu rozlišovaciu schopnosť a bude schopný zachytiť slabšie svetlo, než doterajšie prístroje. Okrem toho je potrebné vyrobiť precízne prístroje novej generácie a posunúť tak prah citlivosti.

Očakávate, že tieto prekážky budú prekonané v relatívne blízkej budúcnosti, alebo je to beh na dlhé trate?

Už len návrh, dizajn JWST, jeho postavenie, vypustenie je otázka na desiatky rokov. V prípade ELT tiež. Dá sa s malou nadsádzkou povedať, že každý krôčik ďalej sa udeje v horizonte desať rokov. V roku 1995 sme poznali 4 exoplanéty. O štvrťstoročie neskôr viac ako 4-tisíc. Keď by sme to zobrali len na počet, v polovici storočia budeme poznať stovky Zemi-podobných exoplanét.

Ako je to s technologickým vybavením na Slovensku? Dokážeme konkurovať iným európskym krajinám?

Pokiaľ sa danému vedeckému oboru, astronómiu nevynímajúc, podarí zohnať európske peniaze na vybavenie, určite áno. Vzdelaných a kvalifikovaných ľudí máme aj u nás. Samozrejme, najšpičkovejšie prístroje nie sú výsadou jedinej krajiny, spolupráca je často nevyhnutná. A nie len na financovaní stavby a prevádzky, ale aj na podieľaní sa na vedeckej produkcii.

Na Skalnatom Plese dnes prevádzkujeme najväčší ďalekohľad na Slovensku s priemerom hlavného zrkadla 1,3m. Metrové teleskopy sú dnes ideálne na dlhodobejšie pozorovania, ktoré majú za cieľ potvrdiť alebo vyvrátiť kandidátov na exoplanéty.

Je ich na svete relatívne dosť a hoci nedokážu pozorovať najvzdialenejšie končiny vesmíru, veľké ďalekohľady majú oveľa nabitejší program. U nás sa však venujeme aj iným objektom, než exoplanétam a tak vždy ide o to, podeliť sa.

Existujú v súčasnosti nejaké spolupráce so zahraničím?

Bez spolupráce by sme sa dnes ďaleko nepohli. Nejde len o to, že sa spojí sila prístrojov na spoločné pozorovanie. Často máte dobrý nápad, ale na to potrebujete dáta z lepšieho ďalekohľadu, ako máme sami doma. Ak zahraničie Váš nápad v konkurencii stovák ďalších vyhodnotí ako prospešný, môžete získať čas na ďalekohľade a aj dáta. Kolegovia špecialisti tiež spolupracujú na analýze údajov. Napríklad aj NASA pri veľkom množstve dát ich postupne uvoľňuje odbornej verejnosti na ďalšie skúmanie.

Štandardné dobré kontakty máme s Českom, ale i Poľskom, Maďarskom, Rakúskom, Ukrajinou. V rámci Európy tiež s kolegami v Nemecku, Francúzsku, Rusku, Taliansku. Astronómia ako veda je dnes naozaj medzinárodná záležitosť.

Niektoré spolupráce sú neformálne medzi členmi tímov, iné sú na základe krátkodobých podpísaných bilaterálnych projektov s konkrétnou tematikou.