Exoplanety s výskytem uhlíku

Vzdálený vesmír

23.5.2011

Ondřej Penc

Exoplanety, planety obíhající kolem jiné hvězdy, než je Slunce, předpovídané dávnými filosofy a astronomy, přitahují od doby objevu prvního exempláře pozornost mnoha vědců a pozorovatelů vesmíru. První známá exoplaneta obíhá kolem hvězdy 51 Peg v blízkosti centra souhvězdí Pegase. Má označení 51 Peg b a byla objevena v roce 1995.

Exoplaneta – extrasolární planeta, planeta obíhající okolo jiné hvězdy, než je naše Slunce. Jejich existence byla předpovězena dlouhou dobu, první exoplaneta byla ale objevena až v roce 1995. Na počátku roku 2011 bylo objeveno již přes 500 exoplanet. Většinou jde o velká tělesa s hmotností a velikostí jen o málo menší, než mají hnědí trpaslíci.

SuperWASP – Wide Angle Search for Planets, vědecký mezinárodní program pro systematické, velkoplošné vyhledávání exoplanet, vedený Velkou Británií, ve kterém je zapojeno 8 akademických institucí. Vyhledávání je založeno na kooperaci dvou robotických observatoří umístěných na severní a jižní polokouli tak, aby pokryly celou viditelnou oblast vesmíru. Každá observatoř je vybavena 8 vysoce kvalitními CCD snímači podchlazenými pro potlačení šumu na teplotu −50 °C. Observatoře vyhledávají exoplanety na principu fotometrie, získávají obraz noční oblohy, který je poté analyzován. Jedna observatoř vyprodukuje za noc asi 50 GB obrazových dat.

WASP-12b – exoplaneta objevená projektem superWASP. Díky své teplotě přes 2 500 K a hmotnosti 1,4 hmotnosti Jupiteru je zařazená do třídy tzv. horkých Jupiterů. Obíhá kolem hvězdy WASP-12 v souhvězdí Vozky vzdálené 870 světelných roků s periodou 1,1 dne ve vzdálenosti 0,023 AU.

HD 209458b – exoplaneta známá i pod jménem Osiris. Objevena byla v roce 1999 jako vůbec první tranzitující exoplaneta. Tento plynný obr obíhá s periodou 3,5 dne velmi blízko povrchu hvězdy HD 209458 podobné Slunci ve vzdálenosti 0,047 AU (odpovídá přibližně vzdálenosti Merkuru od Slunce). Soustava se nachází v souhvězdí Pegase a je od nás vzdálená 153 světelných roků.

HD 189733b – exoplaneta objevená roku 2005, vzdálená 63 světelných roků od Země, patří do třídy horkých Jupiterů s hmotností 1,1 hmotnosti Jupiteru. Mateřskou hvězdu v souhvězdí Lištičky obíhá s periodou 2,2 dne ve vzdálenosti 0,031 AU.

Zkoumání vesmíru se zjemňuje, relativně snadno pozorovatelné hvězdy zářící ve viditelném spektru světla jsou doplňovány o exoplanety, které svítí v infračerveném oboru spektra. To jde ruku v ruce se zdokonalováním pozorovací techniky a vysíláním velmi citlivých zařízení jako jsou HST, Kepler a Herschel do vesmíru. V dnešních dnech, po 15 letech hledání, již bylo objeveno více než 500 exoplanet a vědci se zamýšlí nad chemickým složením jejich atmosfér a charakterem jejich povrchu. Vzniká nové a velmi atraktivní odvětví astronomie, ve kterém se vědci pokoušejí detekovat chemické prvky v atmosférách exoplanet a snaží se za pomoci numerických simulací zjistit, jaké prostředí se na planetách nachází a zda by mohlo hostit život.

Planety objevené sondou Kepler

Kandidáti na exoplanety od jejich profesionálního lovce, dalekohledu Kepler.

Exoplanety jsou objevovány různými způsoby, jejichž princip si můžete prostudovat v sekci věnované astrofyzice. Zatím nejvíce exoplanet bylo objeveno metodou měření radiálních rychlostí na principu červeného posuvu. Velmi úspěšnou metodou je také fotometrická neboli tranzitní metoda, kdy planeta sníží jas své hvězdy při přechodu přes její disk. Pro tuto metodu byl vytvořen automatický systém pro vyhledávání exoplanet nazvaný superWASP.

SuperWASP

Robotické rameno jedné z observatoří programu SuperWASP s osmi teleskopy. Zdroj: SuperWASP.

Určení charakteru atmosféry exoplanet je založeno na numerických modelech a simulacích, jejichž vstupem jsou vlastnosti zkoumané planety, jako je teplotní rozdělení a množství významných chemických prvků. Simulace chování atmosféry jsou porovnávány se skutečností a vyhodnocovány. Bylo zjištěno, že terestrické planety sluneční soustavy, jako je Merkur, Venuše, Země a Mars mají poměr molekul uhlíku a kyslíku 1:2 ve prospěch kyslíku. Tento poměr není znám u velkých plynných planet typu Jupiter a Saturn, protože kyslík se u nich vyskytuje v nižších vrstvách atmosféry a tam je obtížné jakékoli měření. Bohužel je na seznamu dosud objevených exoplanet velké množství objektů velikosti Jupiteru, protože díky své hmotnosti mohou více ovlivnit pohyb mateřské hvězdy nebo svou velikostí zakrýt větší část jejího disku. I vzdálenost planet od hvězdy hraje velkou roli. V exoplanetárním katalogu se často objevují velmi horké velké planety, které se, pokud splňují kritérium velikosti, nazývají horké Jupitery. Mají teplotu povrchu nad 1 000 °C. Tým vědců z MIT, vedený Nikku Madhusudhanem, nedávno pomocí Spitzerova vesmírného dalekohledu zjistil, že exoplaneta WASP-12b je velmi bohatá na uhlík.

Zjistili, že chování atmosféry planety odpovídá simulacím se vstupním poměrem uhlíku a kyslíku blízkému 1:1, což naznačuje, že by tato exoplaneta mohla být hornatého typu. Její povrch by mohl být ryze uhlíkového charakteru a být, na rozdíl od křemičitého povrchu jaký známe ze Země, tvořen diamantem nebo grafitem. Fakta o vlastnostech exoplanety WASP-12b jsou velmi vzrušující. Dávají naději, že kolem hvězdy WASP-12 mohly vzniknout také menší a chladnější exoplanety, které pouze čekají na své objevení. Je pravděpodobné, že planetezimály, ze kterých se zformovala planetární soustava kolem této hvězdy, se skládaly z na uhlík bohatých komponent, jako je tér nebo dehet. Tito prapůvodci se velmi liší od vodních, ledových planetezimál, které byly na počátku naší sluneční soustavy. Světy na bázi uhlíku by mohly být převážně tvořeny dehtem, metanem a karbidem křemíku, z menší části vodou a kyslíkem.

Exoplaneta WASP-12b

Umělecké ztvárnění exoplanety WASP-12b a její hvězdy. Zdroj: MIT.

Exoplaneta HD 209458b, přezdívaná Osiris, byla spolu s HD 189733b jako první podrobena spektrální analýze za účelem zjištění chemického složení atmosféry. Mimo sodík zde byl nalezen uhlík a kyslík. Planeta se podobně jako WASP-12b nachází velmi blízko mateřské hvězdy, která na ni působí svou energií a vytváří na ní extrémní podmínky. Vědci se domnívají, že toto působení je velmi výrazné. Plyn z atmosféry uniká rychlostí vyšší než 35 000 km/h a vytváří kolem planety plynnou obálku ve tvaru ragbyového míče. Odpařování atmosféry planety způsobuje, že se do vyšších vrstev zvedají i těžší molekuly, jako jsou molekuly uhlíku a kyslíku, a to umožňuje jejich detekci. Vědci předpokládají, že z planety v budoucnosti zbude jen jádro původního plynného obra, oholené doslova na kost. Této nové třídě exoplanet se říká Chthonianské planety (planety podsvětí). Název pochází z řecké mytologie a označuje bohy podsvětí. Pojmenování takových planet je výstižné, protože takové světy se mohou jevit poněkud pekelně.

HD 189733b

Umělecké ztvárnění exoplanety HD 189733b ležící ve vzdálenosti 63 světelných roků ve směru souhvězdí Lištičky.
Exoplaneta patří k tzv. horkým Jupiterům. Zdroj: NASA.

Na exoplanetě HD 189733b byl jako na první extrasolární planetě detekován kromě vody a metanu také oxid uhličitý. Objev oxidu uhličitého na exoplanetách může znamenat více než jen přítomnost standardní sloučeniny, protože výskyt CO₂ by mohl být důsledkem biologické aktivity, podobně jako je tomu i na Zemi. Naneštěstí je na této exoplanetě velmi vysoká teplota a život by zde jen těžko přežil. Zmíněná exoplaneta dále vyniká tím, že mateřské hvězdě způsobuje největší pokles jasu při přechodu přes její disk. Proto u tohoto exempláře velmi dobře funguje metoda tranzitní fotometrie, kdy je možné oddělit záření emitované hvězdou od záření exoplanety (z rozdílu intenzity bez zatmění a se zatměním). Zorný paprsek pozorovatele ze Země musí pro tato měření být v rovině oběhu exoplanety kolem mateřské hvězdy.

HD 189733b

Ještě jedno umělecké ztvárnění exoplanety HD 189733b. Zdroj: NASA.

Závěr

Je pochopitelné, že nalezení menších a chladnějších exoplanet, než jsou horké Jupitery, si vyžádá ještě nějaký čas a vyslání větších a citlivějších detektorů do vesmíru. Mezi tyto detektory bude patřit i Vesmírný dalekohled Jamese Webba, jehož vypuštění je plánováno na rok 2014. Tato převážně infračervená observatoř bude sloužit i pro objevování a výzkum exoplanet. Hledání nových světů a života ve vesmíru je bezesporu velmi zajímavou oblastí astronomie, například diamantové pohoří na uhlíkové exoplanetě by mohlo být pro nejednoho člověka velmi přitažlivé. Naopak stvoření pocházející z takového světa by pravděpodobně považovalo za mrhání energií ohýbat záda pro diamant ležící na zemi – tedy pokud by nějaká záda mělo, i když bezpáteřní mimozemšťany by si snad nikdo nepřál, že?

Zdroje:

Vzdálený vesmír

23.5.2011

Ondřej Penc