Gaia startuje do vesmíru, co přinese exoplanetám?

www.novedalekohledy.cz
Evropská družice Gaia, credit: ESA
Evropská družice Gaia, credit: ESA

Evropská družice Gaia se chystá na start a provětrá i oblast exoplanet.

Z kosmodromu Kourou by ve čtvrtek 19. prosince v 10:12 měla odstartovat rakety Sojuz s urychlovacím stupněm Fregat, který do libračního centra L2 dopraví družici Gaia. Ta bude nejméně pět let skenovat celou oblohu a vytvoří 3D mapu části hvězdné populace naší Galaxie.

Gaia je kromě technické aparatury vybavena dvěma dalekohledy s netypickými obdélníkovými hlavními zrcadly. Ty doručí světlo vzdálených objektů do některého ze tří vědeckých přístrojů:

  • ASTRO – jedná se o přístroj k astrometrickým účelům. Jeho úkolem bude přesné měření pozice objektů na obloze.
  • RVS – bude měřit radiální rychlosti hvězd prostřednictvím Dopplerova jevu (posun absorpčních čar ve spektru).
  • BP / RP – fotometrický přístroj se podívá na zoubek jasnosti, hmotnosti, teplotě a chemickému složení hvězd.

Hlavním úkolem družice Gaia bude přesné změření pozic miliardy hvězd (zřejmě méně než procenta z celkového počtu) naší Galaxie. Údaje mají být mnohem přesnější a také rozsáhlejší než tomu bylo u předešlé družice Hipparcos.

Na základě dat bude sestavena trojrozměrná mapa našeho hvězdného okolí. Gaia změří vzdálenosti hvězd díky paralaxe. Kromě toho dojde k zpřesnění dalších údajů jako je povrchová teplota, zářivost apod. mnoha hvězd. Očekávají se také objevy nových planetek, hnědých trpaslíků apod.

 

Přínos pro exoplanety

Prvním přínosem budou samozřejmě přesnější údaje o mateřských hvězdách. Na základě těchto údajů bude možné lépe spočítat například ozáření (teplotu) planety apod. Zajímavé budou také poznatky o celkovém vývoji Galaxie nebo o vztahu mezi složením hvězd a přítomností různých typů planet.

Hlavním přínosem však budou objevy nových exoplanet astrometrickou a tranzitní metodou. Lze teoreticky očekávat tisíce nových planet. Jak se s tím Gaia popere?

Astrometrie

Astrometrie je nejstarší metodou, která byla použita pro nalezení exoplanet. Nejslavnějším příkladem je Peter Van de Kamp, který se domníval, že objevil hned dvě planety u Barnardovy hvězdy. V poslední době se hodně debatovalo okolo možného astrometrického objevu planety VB 10 b, jejíž existence ovšem byla později zpochybněna.

Astrometrie je sestrou měření radiálních rychlostí. Obě vychází z podobného principu, že planeta má nenulovou hmotnost a neobíhá okolo hvězdy, nýbrž okolo společného těžiště s ní. Díky tomu se zdá, jako kdyby planeta s hvězdou v kosmickém prostoru cloumala. V případě měření radiálních rychlostí se to projeví posuvem absorpčních čar ve spektru.

Teď trochu odbočíme. Máte rádi Orion? Nebo jiné souhvězdí? Pokud se na něj podíváte v těchto dnech a pak zase za rok, bude vypadat stejně (pokud nám mezitím nebouchne Betelgeuze, což by bylo fakt cool). Hvězdy a souhvězdí vypadají, jako kdyby byly zvěčněny na velkém pohybujícím se plátně.

Najděte ale toho šíleného vědce z Návratu do budoucnosti a cestujte časem milion let tam nebo sem. Orion najednou nenajdete a celá noční obloha bude úplně jiná.

Hvězdám se sice říká stálice, ale ve skutečnosti se také ony po obloze pohybují. Největší vlastní pohyb má zmíněná Barnardova hvězda. Za lidský život urazí čtvrtinu úhlové velikosti Měsíce.

Pokud z tohoto nepatrného pohybu odfiltrujete vedlejší jevy, jako je pohyb Země okolo Slunce, dostanete „vlastní dráhu hvězdy“ po obloze. V případě, že s ní cloumá planeta, pohybuje se hvězda po vlnovce, jejíž perioda odpovídá oběžné době planety. Dráha hvězdy je vlastně elipsa, jejíž velkou poloosu změříme v úhlových jednotkách a může ji vyjádřit pomoci vzorce:

vzorec

Mp a Mh jsou hmotnosti planety a hvězdy. Potřebujeme znát velkou poloosu oběžné dráhy planety (a), což spočítáme z oběžné doby a Keplerova třetího zákona ale také musíme znát vzdálenost hvězdy od nás (D) v parsecích.

Nebudeme vás zatěžovat dalšími vzorci, ale pro náš výklad je důležité, že pro výpočet hmotnosti planety v metodě měření radiálních rychlostí potřebujete zcela klíčový údaj, kterým je inklinace. Ten vyjadřuje úhel, který svírá rovina oběžná rovina planety s rovinou kolmou na směr pohledu a určuje se dost špatně.

Pokud sklon oběžné dráhy nezjistíte, nemůžete vypočítat hmotnost planety, odhadnete jen její dolní mez.

V astrometrii ale žádný takový úhel není. Bohužel je tam zase další „otravný“ údaj v podobě vzdálenosti hvězdy od nás. Jenomže tohle nám změří Gaia! S trochou nadsázky tak bude postačovat mírné pootočení hlavou a v dalším sloupci tabulky tento údaj najdeme. Bude to ale chtít rychlou mašinu, Gaia vyprodukuje 1 PB dat!

Družice Gaia se chystá na start. Credit: ESA
Družice Gaia se chystá na start. Credit: ESA

Výhod astrometrie je hned několik:

  • Možnost přesného změření hmotnosti planety.
  • Zjištění (dopočítání) sklonu oběžné dráhy a dokonce i dalších parametrů oběžné dráhy.
  • Možnost nalezení planet na vzdálenějších drahách.

Současné metody jsou citlivé zejména na planety s krátkou oběžnou dobou. Gaia naše obzory mírně rozšíří. Ale opravdu jen mírně. Nevýhodou astrometrie je, že její přesnost ze Země zatím není valná a kosmické dalekohledy omezuje životnost. Pro nalezení Jupitera s oběžnou dobou 12 let byste potřebovali pozorovat nejméně těch 12 let.

Astrometrie je také závislá na vzdálenosti hvězdy od nás. Hodí se proto zejména na blízké hvězdy. V případě tranzitní metody nebo měření radiálních rychlostí je tato závislost pouze praktická (se vzdálenosti klesá jasnost a u velmi slabých hvězd už převládá šum, ze kterého nic nevydolujete), ale nikoliv teoretická – amplituda výchylky radiálních rychlostí bude vždy stejná stejně jako hloubka tranzitu.

Lovit exoplanety astrometrií měl například americký SIM (Space Interferometry Mission), ale NASA ho před delším časem bohužel zrušila.

Kosmický dalekohled SIM zůstane jen na papíře. Credit: NASA
Kosmický dalekohled SIM zůstane jen na papíře. Credit: NASA

Co najde Gaia astrometrií?

Pozorovat poziční změny hvězd je neuvěřitelně obtížné. Asi jako rozlišit lidský vlas na vzdálenost několika stovek kilometrů!

Odhadovaná přesnost družice Gaia bude:

  • U hvězd o jasnosti 10 mag: 7 mikrovteřin
  • U hvězd o jasnosti 15 mag: 12 až 25 mikrovteřin
  • U hvězd do jasnosti 20 mag: 100 až 300 mikrovteřin

Hezká čísla, ale co znamenají? Provedli jsme malou simulaci. Vzali jsme hvězdu o hmotnosti Slunce a planetu o hmotnosti Jupiteru s velkou poloosou 1, 2,3,4 a 5 AU. Jaká by byla změřená α v závislosti na vzdálenosti hvězdy?

Planeta
5 pc (16 světelných let)
10 pc (32 světelných let)
20 pc (64 světelných let)
Jupiter 1 AU
200
100
50
Jupiter 2 AU
400
200
100
Jupiter 3 AU
600
300
150
Jupiter 4 AU
800
400
200
Jupiter 5 AU
1000
500
250
Změřená poloosa elipsy hvězdy α pro různé planety a různě vzdálené hvězdy. Údaje v mikrovteřinách

Pro Zemi ve vzdálenosti 5 pc by tato hodnota byla jen 0,6 mikrovteřin.

Samozřejmě u hmotnějších planet a méně hmotných hvězd bude situace poněkud jiná. Gaia s ohledem na délku mise bude citlivá na planety podobné Jupiteru (a hmotnější) s velkou poloosou do 4 AU.

Gaia sice bude pozorovat miliardu hvězd, ale kromě omezení v podobě jasnosti hvězdy a z toho pramenící přesnosti (viz výše) je zde ještě jedno. K výpočtům potřebujeme změřit přesnou vzdálenost hvězdy od nás. To sice Gaia provede, ale s přesností 1% „jen“ u 20 milionů hvězd.

Tranzitní metoda

Tranzitní fotometrie je pro lovce exoplanet denním chlebem. Kromě mnoha pozemských přehlídek jsme zde měli dalekohled Kepler, který objevil 3500 kandidátů a na 200 potvrzených exoplanet.

Na rozdíl od Keplera nebude Gaia pozorovat jedno zorné pole ale celou oblohu. Na jednom místě se proto nezdrží dlouho a nelze tak očekávat objevy planet s delší oběžnou dobou, kde je potřeba delšího pozorování více tranzitů. Když ještě vezmeme v úvahu přesnost měření (cca 2 tisíciny Mag), měli by být v dosahu zejména planety o velikosti Jupiteru či Neptunu u hvězd podobných Slunci a menších (K trpaslíci), případně v menší míře super-Země u červených trpaslíků.

Gaia se chystá na start. Credit: ESA
Gaia se chystá na start. Credit: ESA

Kepler pozoroval na 150 tisíc hvězd. Gaia jich bude mít v hledáčku miliardu! To na první pohled vypadá jako jiná liga, bohužel skutečně jen na první pohled. Aby se dalo z měření vůbec něco vydolovat, musí platit několik podmínek: Gaia bude hledat planety zejména u zmíněných hvězd podobných Slunci a menších. Kromě toho je zde s ohledem na šum požadavek jasnosti vyšší než zhruba 17 mag. Cílové hvězdy musí mít také nízkou aktivitu. Pokud se jasnost hvězdy neustále mění, v její atmosféře jsou velké skvrny apod. jen stěží rozeznáte tranzit, notabene když máte k dispozici omezenou délku pozorování. Reálně tak v hledáčku budou maximálně desítky či jednotky stovek milionů hvězd. I to je však samozřejmě obrovské číslo.

Před pár lety zde byla odhady, že by Gaia mohla zaznamenat až 19 000 tranzitů. Vzhledem k tomu, že bude citlivá zejména na Jupitery s krátkou oběžnou dobou, bude toto číslo zřejmě daleko menší.

První objevy pozemských astronomů sice naznačily, že tyto planety jsou běžné, ale v tomto případě se jednalo pouze o observační zkreslení. Mezi 3,5 tisíci kandidáty od Keplera je těch podobných Jupiteru jen 229. Horkých jupiterů pak ještě méně.

Mimochodem, v katalogu exoplanet máme celkově něco přes 100 planet s poloměrem větším než 5 Zemí a oběžnou dobou kratší 10 dní. V případě planet srovnatelných s Jupiterem (poloměr 10 Zemí) je to jen 63.

Zdroje:

Exoplanetary transits as seen by Gaia

Exoplanet search with astrometry