Naukowcy z UMK wraz z międzynarodowymi współpracownikami odkryli masę egzoplaneta krążący wokół gwiazdy w konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy.
Ma masę aż 11 razy większą od Jupiterokrąża swoją gwiazdę w ciągu 14 lat i ma temperaturę nie wyższą niż minus 100 stopni Celsjusz.
Przełomowe odkrycie w badaniach egzoplanet
Za odkryciem stoją naukowcy z Instytutu Astronomii UMK: dr Gracjan Maciejewski, prof. UMK, dr Andrzej Niedzielski, dr Krzysztof Goździewski i studentka V roku astronomii Julia Sierzputowska. We współpracy z badaczami z Hiszpanii i Stanów Zjednoczonych, w tym z prof. Aleksandrem Wolszczanem, opisali kosmiczne odkrycie w prestiżowym czasopiśmie naukowym Astronomia i astrofizyka.
Niepozorna gwiazda z masywną planetą
Mamy do czynienia z niezwykle masywną egzoplanetą – aż jedenastokrotnie większą od masy Jowisza, największej planety naszego Układu Słonecznego. Okrąża swoją gwiazdę macierzystą w ciągu 14 lat i jest od niej oddalona o sześć jednostek astronomicznych (jednostka astronomiczna [a.u.] to konwencjonalna miara odległości stosowana w astronomii, średnia odległość między Ziemią a Słońcem. Jest to 149 597 870,7 km. Na przykład: Księżyc znajduje się 0,026 au od Ziemi, a Jowisz 5,2 au od Słońca).
„Nie możemy zobaczyć planety, ale możemy dostrzec gwiazdę, wokół której ona krąży – za pomocą małego teleskopu o średnicy zaledwie 10 cm. Parametry fizyczne gwiazdy są podobne do parametrów Słońca. Dane wskazują, że jest o 20 procent masywniejsza i dwukrotnie większa od Słońca. Co ciekawe, zakończyło już etap ewolucji, w którym obecnie znajduje się Słońce; ma za sobą 5 miliardów lat. Możemy zatem szacować, że jest to także wiek całego układu planetarnego” – wyjaśnia dr Gracjan Maciejewski, prof. UMK, kierownik grupy badawczej z Instytutu Astronomii UMK.
„Znajduje się po północnej stronie nieba, w konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy i nosi oznaczenie HD 118203, ponieważ pod tym numerem po raz pierwszy została wymieniona w katalogu gwiazd Henry’ego Drapera. Teleskop, za pomocą którego ponad sto lat temu dokonywano obserwacji do tego katalogu, znajduje się obecnie w naszym obserwatorium w Piwnicach pod Toruniem.”
Teleskop Draper to jeden z pierwszych na świecie astrografów, czyli fotograficznych rejestratorów zjawisk na sferze niebieskiej. Został zbudowany w 1891 roku jako „pomnik” przedwcześnie zmarłego amerykańskiego fizyka spektroskopowego Henry’ego Drapera, z którym jego żona Anna Maria wspierała ambitny program Obserwatorium Harvarda, kierowany przez Edwarda C. Pickeringa, mający na celu opracowanie katalogu fotograficznej i fotowizualnej jasności obiektów gwiazdy i ich klasyfikacja widmowa.
Za pomocą tego teleskopu w Cambridge wykonano ponad 60 000 zdjęć fotometrycznych i spektralnych nieba, co w tak dużym stopniu przyczyniło się do realizacji zamierzeń Pickeringa, że opracowany inwentarz zawierający prawie ćwierć miliona gwiazd nazwano katalogiem Henry’ego Draper’a. Oznaczenia gwiazd „HD” są nadal używane i są znane wszystkim astronomom na całym świecie.
Jak astrograf Drapera trafił do Piwnic? Jesienią 1947 roku rozpoczęto budowę pierwszego pawilonu obserwacyjnego Obserwatorium Astronomicznego UMK z obrotową kopułą o średnicy pięciu metrów. Dwa lata później stanął tam przysłany z Cambridge astrograf i po niezbędnych adaptacjach rozpoczął regularną pracę obserwacyjną.
Dziś ten ciekawy, unikatowy w skali światowej zabytek stał się atrakcją dla zwiedzających Instytut Astronomii UMK w Piwnicach.
Proces odkrywania
Od prawie 20 lat astronomowie wiedzą, że gwiazda HD 118203 krąży wokół dość masywnej planety. W 2006 roku odkryto pierwszego gazowego olbrzyma o masie dwóch mas Jowisza, który okrążał gwiazdę po ciasnej orbicie w zaledwie sześć dni.
„Obserwacje Dopplera wykazały jednak, że to nie koniec historii, że może tam istnieć inna planeta. Dlatego od razu włączyliśmy ten układ do naszego programu obserwacyjnego” – mówi prof. Andrzej Niedzielski, współautor odkrycia. „Początkowo w ramach programu badań egzoplanet Toruń-Pensylwania, prowadzonego we współpracy z profesorem Aleksandrem Wolszczanem, śledziliśmy obiekt za pomocą jednego z największych instrumentów optycznych na Ziemi, dziewięciometrowego teleskopu Hobby-Eberly’ego w Teksasie”.
Wyniki były na tyle obiecujące, że Toruńczycy wraz ze współpracownikami z Hiszpanii kontynuowali obserwacje gwiazdy na Wyspach Kanaryjskich za pomocą włoskiego teleskopu Galileo. Obserwatorium to zostało wyposażone w najlepsze oprzyrządowanie przeznaczone do odkrywania planet.
„Jednak ośmioletnie badania nie dały odpowiedzi, jakiego typu jest to obiekt” – dodaje prof. Niedzielski.
Toruńscy astronomowie potrzebowali kolejnych siedmiu lat, aby uzyskać niepodważalny dowód na to, że mają do czynienia z planetą.
„Cierpliwość popłaca” – mówi prof. Maciejewski. „Nowe obserwacje zebrane w marcu 2023 roku okazały się kluczowe w określeniu parametrów orbity planety. Co więcej, ponieważ okrążenie gwiazdy zajmuje planecie kilka lat, byliśmy w stanie połączyć nasze obserwacje dopplerowskie z dostępnymi pomiarami astrometrycznymi, aby jednoznacznie określić jej masę. To pozwoliło nam zbudować kompletny model tego układu planetarnego i zbadać jego dynamiczne zachowanie.”
Odsłonięcie dynamiki planetarnej
Wcześniej jednak trzeba było upewnić się, że w układzie nie kryją się już żadne planety. Zadania tego podjęła się Julia Sierzputowska, studentka astronomii.
„Przeanalizowałem obserwacje fotometryczne uzyskane za pomocą kosmicznego teleskopu Transiting Exoplanet Survey Satellite, które wykazały, że wokół HD 118203 nie było innych planet większych niż dwukrotnie większa od Ziemi, a zatem nie na tyle masywnych, aby można je było badać dynamikę układu” – mówi Julia Sierzputowska.
Okazało się, że astronomowie odkryli hierarchiczny układ planetarny.
„To osobliwa konfiguracja, w której jedna planeta tworzy ciasną parę ze swoją gwiazdą, a druga planeta krąży wokół tej pary po orbicie na tyle szerokiej, że jakby z pierwszą tworzyła drugą parę” – wyjaśnia prof. Krzysztof Goździewski , który przeprowadził szczegółowe badania numeryczne dynamiki układu.
Obie planety są masywne i krążą po dość wydłużonych orbitach. Mimo to ich wzajemne oddziaływanie grawitacyjne nie powoduje destabilizacji układu w skali milionów lat.
„Wykazaliśmy, że wynika to z efektów wynikających z ogólnej teorii względności. Gdyby nie te efekty, planety zachowywałyby się jak drgające sprężyny, nieustannie zmieniając kształt swoich orbit i orientację w przestrzeni” – dodaje prof. Goździewski.
Kosmiczne odpowiedzi
Astronomowie przyznają, że wiedza na temat powstawania i ewolucji układów planetarnych wciąż skrywa wiele fundamentalnych niewiadomych. Układy hierarchiczne, takie jak HD 118203, których znanych jest tylko kilkanaście, pozwalają im badać hipotezy dotyczące powstawania masywnych planet.
„Interesujące pytanie dotyczy ścieżek rozwoju takich konfiguracji planetarnych” – mówi prof. Maciejewski. „Chociaż z naszego punktu widzenia – mieszkańców Układu Słonecznego – są to dość „egzotyczni”, to poznanie układów z masywnymi planetami gazowymi wydaje się ważne, abyśmy mogli poznać nasze najbliższe, astronomiczne podwórko.”
„Nasza praca się nie kończy. Wciąż prowadzimy obserwacje i analizujemy dane – są szanse na dalsze odkrycia planet” – mówi prof. Niedzielski. „To satysfakcjonujące, że udało nam się zaangażować studentów i doktorantów w te ciekawe i ważne badania.”
Odniesienie: „Śledzenie zaawansowanych systemów planetarnych (TAPAS) za pomocą HARPS-N – VIII. Towarzysz planetarny na szerokiej orbicie w układzie gorącego Jowisza HD 118203” G. Maciejewskiego, A. Niedzielskiego, K. Goździewskiego, A. Wolszczana, E. Villavera, M. Fernándeza, M. Adamowa i J. Sierzputowskiej, 20 sierpnia 2024, Astronomia i astrofizyka.
DOI: 10.1051/0004-6361/202451084
