X

Kuriózní mikročočky

Další fotometrický způsob je založen na principu mikročoček. Není to tak dávno, co tuto metodu většina astronomů vnímala pouze jako kuriozitu a s jejím využitím při lovu exoplanet se vůbec nepočítalo.

Jev gravitační čočky vzniká zakřivením paprsků elektromagnetického záření vzdáleného objektu v gravitačním poli bližšího hmotného tělesa, nacházejícího se mezi objektem a námi. Při vzácné konstelaci, kdy se Země, „čočka“ a objekt nacházejí na jedné přímce, pozorujeme tzv. Einsteinův prstenec, v ostatních případech pak několik různě deformovaných a zvětšených obrazů vzdáleného objektu. Když se podíváte skrz vinnou skleničku na nějaký jasný zdroj světla, spatříte několik jeho obrazů. Sklenice přitom funguje stejně jako gravitační čočka, která pozemšťanům přiblíží hodně vzdálenou galaxii.

Galaxie jako zvětšovací lupy
S myšlenkou, že by ve vesmíru měly existovat takové „gravitační lupy“, přišel v roce 1936 Albert Einstein. Výpočty však ukázaly, že půjde o úhlově velmi malé a především značně slabé objekty. Proto sám geniální fyzik tehdy přiznal, „šance spatřit tento úkaz není příliš veliká“. To platilo po čtyři desetiletí, avšak od konce 70. let se podařilo takových přírodních zvětšovacích skel objevit asi padesát, nyní především díky Hubbleovu kosmickému teleskopu. Tìmito gravitačními čočkami však byly vzdálené galaxie či jejich kupy a slouží především kosmologům.
Teoreticky se může stát, že se přesně na spojnici Země a vzdálené hvězdy ocitne další objekt, jinak neviditelný. V gravitačním poli takového objektu dojde k ohybu světla a my bychom mohli sledovat několik obrazů vzdálené hvězdy. Takové mikročočky mají však natolik malou hmotnost a tedy i slabé gravitační pole, že výsledný obraz má průměr nejvýše několik miliontin vteřiny, tedy hluboce pod rozlišovací schopností přístrojů.

Jedna šance za milion let
Nicméně jev se přece jen projeví a to fotometricky. Pokud před nějakou velmi vzdálenou hvězdou prochází slabě zářící, ale velmi hmotné těleso, můžeme zaznamenat postupný nárůst a pokles její jasnosti. Pokud okolo procházejícího tělesa obíhá ještě planeta, může se i ona na křivce jasnosti projevit jako krátkodobé zjasnění.
Jestliže čočku tvoří dva objekty, v našem případě hvězda a planeta, závisí tvar křivky na poměru jejich hmotností a na úhlové vzdálenosti hvězda–planeta. Po většinu času bude křivka stejná jako v případě jednoduché čočky. Pouze na několik hodin (primární zdroj má za následek zjasnění trvající typicky několik desítek dnů) se zde projeví další zjasnění. Doba, po kterou lze sekundární (z hlediska doby trvání, nikoli jasnosti) maximum pozorovat, závisí na hmotnosti čočkující planety.
Je to ovšem komplikovanější: před konkrétní hvězdou přejde „fokusující“ objekt v průměru jednou za milion let! Ovšem naštěstí dovedeme každou noc měřit jasnost několika milionů hvězd, takže naděje, že zachytíme gravitační čočku, je zcela reálná. Podstatnou vadou je fakt, že měření již nebudeme nikdy moci zopakovat a že tedy exoplanetu nemůžeme nadále studovat ani objev ověřit. Proto nám tato metoda poskytuje spíše orientační přehled vhodný do statistik.

Čočky zobrazují planety
Idea, že by tímto způsobem mohly být pozorovány i případné planety v okolí hvězd,se objevila bezprostředně poté, co byly gravitační mikročočky experimentálně dokázány. A překvapivě zaznamenala úspěch.
První pozorování planety, jež způsobila zjasnění bezejmenné hvězdy ležící směrem ke středu galaxie se uskutečnilo roku 1998 v rámci projektu MACHO. Světelné změny naznačují, že má hmotnost 0,002–0,01 % hmotnosti hvězdy, kolem níž obíhá ve vzdálenosti asi 300 milionů km. Nejistota je způsobena tím, že zachycené světelné změny nejsou o moc větší než chyba měření.
Mateřská a současně „fokusující“ hvězda nebyla pozorována přímo, nicméně se zdá, že je méně hmotná než Slunce (odhadem 20–60 %). Z toho vyplývá hmotnost planety mezi Zemí a Neptunem. Jiné pozorování odhalilo poprvé planetu, obíhající kolem dvojhvězdy.

Zpožďování záblesků pulsarů
Další metoda, kterou lze odhalit existenci neviditelných průvodců, je použitelná pouze u pulsarů. Tak, jak oběžnice hýbe pulsarem, sledujeme zpožďování nebo zrychlování jednotlivých záblesků.

Tento objev byl velkým překvapením zejména proto, že hvězda, která se stane pulsarem, existuje v tomto stavu jen krátkou dobu. Z toho vyplynulo, že vznik planet je z astronomického hlediska poměrně rychlou událostí. Samotný výbuch, který stadiu pulsaru předchází, planetám nijak zvlášť neublíží (z hlediska mechaniky). Musíme konstatovat, že na původ planet u pulsarů neexistuje jednotný názor. Mnozí astronomové se domnívají, že oběžnice mohou vzniknout v okolí hvězdy během posledních fází jejího bouřlivého života.
Touto metodou byla odhalena existence třetího tělesa v binárním pulsaru PSR B1620-26 v kulové hvězdokupě M4 v souhvězdí Štíra, vzdálené od nás 1,8 kpc. Pulsar má za průvodce bílého trpaslíka a hnědého trpaslíka nebo exoplanetu o hmotnosti asi 10x větší, než je hmotnost Jupiteru.

Další způsoby detekce
Odhad podle rychlosti rotace hvězdy
Ze spektra hvězdy lze určit mimo jiné i její rotační periodu. Již dlouho se předpokládá, že hvězdy, okolo nichž jsou planetární soustavy, předaly část svého rotačního momentu právě svým planetám. U pomalu rotujících hvězd lze tedy usuzovat na planety, ale nejde o metodu průkaznou a kromě toho nám vůbec nic neřekne o struktuře planetárního systému. Nejde tedy o detekci v pravém slova smyslu.
Pozorování hvězdných supererupcí
V minulosti jsme několikrát u hvězd spektrálních typů F až G pozorovali supererupce o energiích stokrát až desetimilionkrát větších, než nejmohutnější erupce pozorované na Slunci. Jednou ze spekulativních příčin těchto erupcí, trvajících hodiny až dny, by mohly být procesy mezi magnetickými poli centrální hvězdy a velmi blízko obíhajících planet Jupiterova typu.
Pozorování v infračerveném oboru spektra
Vznikající planetární soustava se může prozradit během poslední fáze svého vzniku. Při srážkách hmotných těles dojde k jejich roztavení, které by se mělo prozradit zvýšenou emisí v infračerveném oboru spektra. K tomuto jevu ovšem dojde pouze v případě malé rychlosti srážky – kolem 10 km/s. Předpokládá se, že teplota povrchu tělesa po srážce setrvá při teplotě 2000 K po dobu několika tisíc let (impakty na větší tělesa budou svítivější, ale krátkodobější).
Přímé zobrazení
Tato metoda zatím naráží principiálně na dva problémy. Exoplanety jsou natolik blízko své centrální hvězdy, že je nejsme zatím schopni od sebe rozlišit a běžné hvězdy typu Slunce jsou nesrovnatelně jasnější než jejich planety.
Kdybychom studovali naši vlastní soustavu, zjistili bychom, že planeta bude miliardkrát méně jasná než Slunce. Ze vzdálenosti již jen 15 světelných roků by úhlová vzdálenost Jupitera od Slunce byla kolem jedné vteřiny. Vzhledem k tomu, že pozemský seeing (???) se projevuje ve stejném řádu, je přímé pozorování planety pozemským dalekohledem bez využití systému adaptivní optiky nemyslitelné. Cílem zdokonalení přímých zobrazovacích metod je proto v první řadě pokus o potlačení vlivu atmosférické turbulence (adaptivní optika) a  dále snížení rozptýleného světla hvězdy (koronální masky).
V neposlední řadě je nutné zvýšení kontrastu hvězda/planeta, kupříkladu  pozorováním ve větších vlnových délkách. Je známo, že planety pohlcují záření své hvězdy, ohřívají se a tepelnou energii vyzařují v infračervené oblasti, kde hvězda podobná Slunci příliš nezáří. Při takovém pohledu na naši soustavu by Jupiter byl výraznějším zdrojem tepelného záření než Slunce. Avšak i infračervené záření je podobně jako viditelné světlo obtížně detekovatelné a překážkou zůstává i nedostatečná rozlišovací schopnost našich dosavadních přístrojů. 

Potřebujeme dalekohledy ve vesmíru
Přímé zobrazení je tedy ještě zatím hudbou budoucnosti – ale nemusí to být budoucnost příliš vzdálená. Odborníci nyní doufají, že nejpozději do 10 let budou mít podobné snímky k dispozici. Největší nadějí je výstavba velkých interferometrických dalekohledů v kosmickém prostoru mimo Zemi, které budou schopny alespoň některé exoplanety pozorovat přímo. V konečné fázi budeme schopni zkoumat jednotlivé exoplanety o velikosti Země spektroskopicky a usilovat o spektroskopický výzkum a pozorování detailů na jejich povrchu – ale to opravdu nebude dřív než za několik desítek let.

Autor: Redakce