Exoplanety V. – Splněný sen má jméno 51 Peg b

Křivka radiílních rychlostí u hvězdy 51 Peg
Křivka radiílních rychlostí u hvězdy 51 Peg

V roce 1992 oznámil Aleksander Wolszczan objev dvou exoplanet u pulsaru PSR 1257+12. Nalézt normální exoplanetu u normální hvězdy hlavní posloupnosti se ale astronomům nedařilo. Souboj o první planetu nakonec vyhrál tým, se kterým nikdo ani v nejmenším nepočítal…

 



Má to vůbec smysl?

 

První věrohodnější pokusy o nalezení planety mimo Sluneční soustavu proběhly v polovině 20. století za pomocí astrometrické metody. Nástup obřích dalekohledů, výstavba špičkových observatoří slavných jmen a především CCD kamery ale postupem času zvýhodňovaly metodu měření radiálních rychlostí (nebo také spektroskopická metoda). Později se ukázalo, že to byl krok správným směrem. Díky spektroskopické metodě se do dnešních dní podařilo objevit nejvíce z 350 exoplanet, i když ji v nejbližších letech zřejmě zásluhou dalekohledu Kepler sesadí (alespoň na nějaký čas) z trůnu tranzitní fotometrie. Astrometrie, do které se kdysi vkládali největší naděje, pomohla objevit první planetu mimo Sluneční soustavu teprve nedávno (viz článek).

 

Všechny domnělé objevy první exoplanety v průběhu 80. a první poloviny 90. let ale postupně zařízla chyba techniky, výpočetního systému nebo oscilace hvězdy. Velkým problémem spektrální metody je rovněž fakt, že poskytuje pouze dolní odhad hmotnosti. K přesnému údaji se lze dopočítat jen na základě znalosti sklonu oběžné dráhy planety a ten se zjišťuje jen velmi obtížně.

 

Vesmír nás opět převezl

 

V polovině 90. let se začalo naplno spekulovat o tom, že nalézt exoplanetu může být běh na velmi dlouhou trať a že tehdejší technika na podobný objev nestačí. Pro představu uveďme, že oscilace Slunce, vyvolaná Jupiterem, činí jen 12,5 m/s, což zhruba odpovídá rychlosti auta v obci.

 

I hmotné exoplanety tak měly dle představ vyvolat jen velmi malý posuv spektrálních čar, který byl na samotné hraně měřitelnosti tehdejších spektrografů. Dle teorií o vzniku planetárních soustav navíc planety typu Jupiter mají poměrně dlouhou oběžnou dobu (řádově 10 a více let). Objev první exoplanety tedy znamená provádět pozorování vybraných hvězd v průběhu několika let a to navíc s nejistým výsledkem. Kratší oběžnou dobu dle teorií měly mít jen planety zemského typu a ty pochopitelně vyvolávají tak malé oscilace, že jejich nalezení tehdejšími (a do značné míry i nynějšími) spektrografy nepřipadalo v úvahu.

 

Hledáním první exoplanety u hvězdy hlavní posloupnosti se věnovaly především dva týmy. V USA to byli Geoffrey Marcy a Paul Butler a v Kanadě Gordon Walker s Brucem Campbellem. Oba na sobě nezávislé týmy zveřejnily v roce 1994 průběžné zprávy, které příliš optimismu nepřinesly. Hrozilo akutní nebezpečí, že se hledání exoplanet dostane do slepé uličky.

 

Jak se později ukázalo, oba týmy si vylámaly zuby především díky tomu, že se příliš zaměřili na podobu naší vlastní Sluneční soustavy. Ve vnitřní části obíhají planety zemského typu (Merkur, Venuše, Země, Mars) a každému bylo jasné, že tak malé objekty není možné tehdejší technikou objevit. Týmy se proto zaměřily na obří plynné planety, které v naší Sluneční soustavě obíhají podstatně dále (Jupiter, Saturn, Uran, Neptun). Samotnému Jupiteru trvá jeden oběh okolo Slunce téměř 12 let. Pokud tedy chceme najít podobné planety u jiných hvězd, stačí nám pozorovat vybrané hvězdy jednou za měsíc až dva.

 


Objev první exoplanety: Top Secret

 

Michel Mayor a Didier Queloz
Michel Mayor a Didier Queloz
V roce 1994 se na observatoři Haute-Provence v jižní Francii naplno rozběhla pozorování na novém spektrografu ELODIE, který byl umístěn na 1,93 m velkém dalekohledu. Pozorovací čas dostal přidělen také Michel Mayor a jeho mladý kolega Didier Queloz z Ženevské observatoře. Jeden týden za dva měsíce se mohli věnovat svému programu, zaměřenému na hledání hnědých trpaslíků.

 

Přítomnost obřích planet s oběžnou dobou v řádů měsíců nebo dokonce dní teorie zakazovaly. Hnědí trpaslíci jsou sice „nedodělané“ hvězdy, ale stále jsou to hvězdy. Tehdejší teorie rozhodně nevylučovaly, že by některá z hvězd mohla mít jako průvodce hnědého trpaslíka s oběžnou dobou třeba jen několika dní. Mayor a Queloz si proto mohli dovolit hledat i hnědé trpaslíky s krátkou oběžnou dobou. A kdyby se jim jako vedlejší produkt podařilo objevit exoplanetu, bylo by to přímo fantastické. Taková možnost ale byla spíše nepravděpodobná.

 

V listopadu 1994 odjíždí Mayor na půlroční pracovní pobyt na Havaj a Queloz mezitím pokračuje v osamoceném pozorování pomoci spektrografu ELODI. Jeho úkolem je především kalibrace samotného spektrografu. Při rutinním pozorování si všímá podivných oscilací hvězdy 51 Pegasi (zkráceně 51 Peg). Že by vada přístroje? Tuto možnost Queloz poměrně rychle zavrhuje, neboť další pozorované hvězdy žádné anomálie nevykazují. Mohlo by se snad jednat o planetu? Možností bohužel připadalo více a přítomnost planety byla jen jednou z nich. Queloz ale přesto omezuje ostatní program a vrhá se na pozorování 51 Pegasi. Do února 1995 se podaří získat celkem 18 měření v průběhu asi 150 dní a výsledky stále více ukazují na existenci planety. Další týdny ale přerušuje pozorování špatná viditelnost souhvězdí Pegase. Inkriminovaná hvězda se nachází na jaře jen velmi nízko nad obzorem, takže nelze získat přesná měření.

 

Vyhledávací mapka pro hvězdu 51 Peg
Vyhledávací mapka pro hvězdu 51 Peg
Queloz a Mayor mezitím procházejí získaná data a vypočítávají teoretickou oběžnou dráhu planety. Den „D“ má nastat 6. července 1995. Dalekohled na observatoři Haute-Provence se zaměřuje tu noc na hvězdu 51 Peg, aby zjistil, zda se domnělá planeta nachází tam, kde by měla být podle teoretických modelů. Počítač vyhodnocuje získaná data několik minut a nakonec vyplivne „shoda“. Mayor a Queloz mají jednoznačný důkaz. Jako první na světě objevili planetu mimo Sluneční soustavu. Tu noc se na jihu Francie psaly dějiny astronomie.

 

Oba astronomové historický objev oslavují vínem a zákuskem. Radostnou zprávu ale do světa vykřičet nemohou. Hrubě by tím porušily tradiční procedury a hrozilo by, že je někdo s oficiálním oznámením předběhne. Shodou okolností v té době na observatoři probíhá konference o budoucnosti výzkumu exoplanet. Mayor a Queloz se tak dostávají do bizardní situace. V noci u dalekohledu tajně oslavují objev exoplanety a přes den jen mlčky přikyvují svým kolegům, kteří na konferenci konstatují, že objev exoplanety je v nejbližší době nepravděpodobný a je třeba přehodnotit, zda má vůbec smysl na takový výzkum dávat peníze.

 

Oba se o objevu baví jen s hrstkou kolegů, které potřebují k ověření objevu. Dne 25. srpna 1995 odesílají článek o objevu do časopisu Nature a čekají na odborné posudky. Zároveň si u časopisu vybojují možnost, aby o objevu promluvili na konferenci o chladných hvězdách, která má proběhnout od 2. do 10. října ve Florencii. Mayor přihlašuje svůj příspěvek k tzv. kulatému stolu, kde se oznamují spíše méně významné objevy (!). Pořadatelé ale chtějí znát o jeho objevu více podrobností, které jim Mayor samozřejmě poskytnout nemůže. Díky tomu dostává na přednesení nejvýznamnějšího objevu za poslední léta jen mizerných pět minut. V průběhu času se ale začínají šířit astronomickou obcí spekulace, že Mayor chce na konferenci oznámit objev první exoplanety. Pořadatelé proto mění program a Mayor nakonec 5. října 1995 hovoří celých 45 minut. Za svůj projev sklízí dlouhé ovace.

 

Ihned po projevu se na něj valí vlna pozornosti od kolegů i novinářů. Mayor je ale vázán slibem mlčenlivosti a nemůže o objevu říci více do chvíle, než vyjde článek v Nature. Všechny přítomné tak musí odbývat frázemi jako „bez komentáře, nemohu vám to říct, nevím, nepamatuji se,…“.

 

Netrpělivě očekávaný článek vychází v Nature 23. listopadu 1995. Krátce na to potvrzuje existenci planety 51 Peg b také americký astronom Geoffrey Marcy, který předtím pohřbil nejednu naději na objev první exoplanety. V roce 1997 sice klidné vody rozbouří svým článkem astronom David Gray, který přítomnost exoplanety u hvězdy 51 Peg zpochybní, nakonec ale přizná, že to byl on, kdo udělal chybu.

 

51 Peg b

 

Exoplaneta u hvězdy 51 Peg dostává název podle své mateřské hvězdy s přídavkem „b“. Písmeno „a“ je rezervováno pro samotnou hvězdu, ale běžné se neuvádí. Exoplaneta 51 Peg b obíhá okolo svého slunce s periodou jen 4,23 dne ve vzdálenosti 0,052 AU. Hmotnost planety se odhaduje na 0,45 Mj. Mateřská hvězda 51 Peg má hmotnost asi jako naše Slunce a nalezneme ji ve vzdálenosti asi 48 světelných let směrem v souhvězdí Pegase. Zdánlivá hvězdná velikost 51 Peg je 5,49 mag, takže je na hranici viditelnosti pouhým okem.

 

Objev exoplanety 51 Peg b naboural tehdejší teorie o vzniku planetárních systému. Astronomové ale nelapali po dechu příliš dlouho. Velmi pohotově na problém zareagovali Američané D. Lin, P. Bodenheimer a D. Richardson, kteří přišli s teorií migrujících planetárních obrů. Myšlenka to tehdy ale nebyla nová. Jiní astronomové o ní přemýšleli už asi o 15 let dříve. Exoplaneta 51 Peg zřejmě opravdu vznikla tam, kde podle teorií měla. Pak ale začala z dosud ne zcela zřejmých příčin migrovat, až se dostala na současnou oběžnou dráhu.

 

=> Animace oběžné dráhy exoplanety 51 Peg b

 

 

Proč byli Mayor a Queloz úspěšní?

 

  1. Už výše jsme se zmínili o tom, že Mayor a Queloz exoplanety fakticky nehledali a zaměřili se na pátrání po hnědých trpaslících. Díky tomu se soustředili na objekty s krátkou oběžnou dobou a měli štěstí. Ostatní týmy se mylně domnívali, že obří plynné planety musí obíhat ve větších vzdálenostech, a proto stačí hvězdu pozorovat jen jednou za několik měsíců.
  2. Spektrogram ELODIE pracoval na jiném principu než stejné přístroje amerických astronomů.
  3. Mayor a Queloz používali jiný výpočetní systém, který dokázal data zanalyzovat během několika minut.

 

Další exoplanety

V reakci na objev exoplanety 51 Peg b hledá Geoffrey Marcy exoplanety i s menší oběžnou dobou. Intenzivní pozorování a pátrání v archívu se vyplácí. V lednu 1997 oznamuje na konferenci v San Diegu objev dvou exoplanet – 47 Ursa Majoris b a 70 Virginis b. Definitivně se tak potvrzuje, že nalézt planety u cizích hvězd je možné. Rodí se nový, fascinující obor astronomie, který nám i v těchto hodinách a dnech přináší vzrušující objevy. Hledání života ve vesmíru začíná…

 


Životopisné poznámky

 

Michel G. E. Mayor

 

Narozen 12. ledna 1942. Po studiích na University of Lausanne získal doktorát na Ženevské univerzitě, kde pracuje dodnes. Mimo to působil na observatoři na Havaji a na Evropské jižní observatoři v Chile. Je autorem více než 200 vědeckých prací a držitelem řady prestižních ocenění. Jeho posledním velkým úspěchem byl objev exoplanety Gliese 581 e.

 

Didier Queloz

 

Narozen 23. února 1966. Studoval astronomii na univerzitě v Ženevě. V současnosti se zabývá hledáním a výzkumem exoplanet.

 


Spektrograf ELODIE

 

Na Observatoire de Haute-Provence pracoval od roku 1993 do roku 2006, kdy musel uvolnit místo modernějšímu spektrografu SOPHIE. Na svém kontě má objev celkem 4 exoplanet (51 Peg b, Gliese 876 b, 14 Herculis b a HD 209458 b). Během 13 let naměřil na 20 000 spekter.


 

 

Zdroje: