Odkrycie planety podobnej do Ziemi oddalonej o 4000 lat świetlnych od nas w Drodze Mlecznej daje zapowiedź jednego z możliwych losów naszej planety za miliardy lat w przyszłości, kiedy Słońce zamieni się w białego karła oraz wysadzioną w powietrze i zamarzniętą Ziemię migrował poza orbitę Marsa.
Ten odległy układ planetarny, zidentyfikowany przez astronomów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley po obserwacjach za pomocą 10-metrowego teleskopu Keck na Hawajach, wygląda bardzo podobnie do oczekiwań dotyczących układu Słońce-Ziemia: składa się z białego karła o masie około połowy masy Słońce i towarzysz wielkości Ziemi na orbicie dwukrotnie większej niż dzisiejsza Ziemia.
Prawdopodobnie taki będzie los Ziemi. Słońce w końcu nadmucha się jak balon większy niż dzisiejsza orbita Ziemi, pochłaniając przy tym Merkurego i Wenus. Gdy gwiazda rozszerza się i staje się czerwonym olbrzymem, jej malejąca masa zmusi planety do migracji na bardziej odległe orbity, dając Ziemi niewielką szansę na przetrwanie dalej od Słońca. Ostatecznie zewnętrzne warstwy czerwonego olbrzyma zostaną zdmuchnięte, pozostawiając gęstego białego karła nie większego od planety, ale o masie gwiazdy. Jeśli Ziemia przetrwa do tego czasu, prawdopodobnie znajdzie się na orbicie dwukrotnie większej od obecnej.
Odkrycie, które zostanie opublikowane w tym tygodniu w czasopiśmie Nature Astronomy, mówi naukowcom o ewolucji gwiazd ciągu głównego, takich jak Słońce, przez fazę czerwonego olbrzyma do białego karła oraz o tym, jak wpływa to na otaczające je planety. Niektóre badania sugerują, że w przypadku Słońca proces ten może rozpocząć się za około 1 miliard lat, ostatecznie powodując wyparowanie ziemskich oceanów i podwojenie promienia orbity Ziemi, jeśli rozszerzająca się gwiazda nie pochłonie najpierw naszej planety.
Ostatecznie za około 8 miliardów lat zewnętrzne warstwy Słońca rozproszą się, pozostawiając po sobie gęstą, świecącą kulę – białego karła – o masie około połowy masy Słońca, ale mniejszej od Ziemi.
„Obecnie nie osiągnęliśmy konsensusu co do tego, czy Ziemia mogłaby uniknąć pochłonięcia przez czerwonego olbrzyma za 6 miliardów lat” – powiedział kierownik badania Keming Zhang, były doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, obecnie Eric i Wendy Schmidt AI in Science Stypendysta podoktorski na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. „W każdym razie planeta Ziemia będzie nadawała się do zamieszkania przez około kolejny miliard lat, kiedy to ziemskie oceany wyparują w wyniku niekontrolowanego efektu cieplarnianego – na długo przed ryzykiem połknięcia przez czerwonego olbrzyma”.
Układ planetarny jest jednym z przykładów planety, która przetrwała, chociaż znajduje się daleko poza zamieszkiwalną strefą słabego białego karła i jest mało prawdopodobne, aby było na niej życie. Być może w pewnym momencie istniały na niej warunki nadające się do zamieszkania, kiedy jej gospodarzem była jeszcze gwiazda podobna do Słońca.
„Nie wiadomo, czy życie może przetrwać na Ziemi przez ten okres (czerwonego olbrzyma). Z pewnością jednak najważniejsze jest to, aby Ziemia nie została pochłonięta przez słońce, gdy stanie się czerwonym olbrzymem” – powiedziała Jessica Lu, profesor nadzwyczajny i przewodnicząca astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Układ znaleziony przez Keminga jest przykładem planety – prawdopodobnie planety podobnej do Ziemi, pierwotnie znajdującej się na orbicie podobnej do Ziemi – która przetrwała fazę czerwonego olbrzyma swojej gwiazdy macierzystej”.
Mikrosoczewkowanie sprawia, że gwiazda jaśnieje tysiąckrotnie
Odległy układ planetarny, położony w pobliżu zgrubienia w centrum naszej galaktyki, zwrócił uwagę astronomów w 2020 roku, kiedy przeszedł przed bardziej odległą gwiazdą i zwiększył światło tej gwiazdy 1000-krotnie. Grawitacja układu działała jak soczewka skupiająca i wzmacniająca światło gwiazdy tła.
Zespół, który odkrył to „zdarzenie mikrosoczewkowania”, nazwał je KMT-2020-BLG-0414, ponieważ zostało wykryte przez Koreańską Sieć Teleskopów Mikrosoczewkowych na półkuli południowej. Powiększenie gwiazdy tła – również znajdującej się w Drodze Mlecznej, ale oddalonej o około 25 000 lat świetlnych od Ziemi – wciąż było jedynie punkcikiem światła. Niemniej jednak jego zmiany w intensywności na przestrzeni około dwóch miesięcy pozwoliły zespołowi oszacować, że układ składa się z gwiazdy o masie około połowy masy Słońca, planety o masie Ziemi i bardzo dużej planety o masie około 17 mas Jowisza… prawdopodobnie brązowy karzeł. Brązowe karły to nieudane gwiazdy, których masa jest niewiele większa od masy wymaganej do zainicjowania syntezy jądrowej w jądrze.
Z analizy wynika również, że planeta podobna do Ziemi znajdowała się w odległości od 1 do 2 jednostek astronomicznych od gwiazdy, czyli około dwukrotnie większej odległości między Ziemią a Słońcem. Nie było jasne, jakiego rodzaju gwiazdą była gwiazda macierzysta, ponieważ jej światło ginęło w blasku powiększonej gwiazdy tła i kilku pobliskich gwiazd.
Aby zidentyfikować typ gwiazdy, Zhang i jego współpracownicy, w tym astronomowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Jessica Lu i Joshua Bloom, przyjrzeli się bliżej systemowi soczewkowania w 2023 r. za pomocą 10-metrowego teleskopu Keck II na Hawajach, wyposażonego w optykę adaptacyjną eliminującą rozmycie z atmosfery. Ponieważ obserwowali układ trzy lata po zdarzeniu soczewkującym, gwiazda tła, która kiedyś została powiększona 1000 razy, stała się na tyle słaba, że gwiazda soczewkująca powinna być widoczna, gdyby była typową gwiazdą ciągu głównego, taką jak Słońce, powiedział Lu.
Ale Zhang niczego nie wykrył na dwóch oddzielnych obrazach Kecka.
„Nasze wnioski opierają się na wykluczeniu alternatywnych scenariuszy, ponieważ normalną gwiazdę można by łatwo dostrzec” – powiedział Zhang. „Ponieważ soczewka jest ciemna i ma małą masę, doszliśmy do wniosku, że może to być tylko biały karzeł”.
„To przypadek, w którym widzenie niczego jest w rzeczywistości bardziej interesujące niż zobaczenie czegoś” – powiedział Lu, który szuka zjawisk mikrosoczewkowania powodowanych przez swobodnie unoszące się w Drodze Mlecznej czarne dziury o masach gwiazdowych.
Odkrywanie egzoplanet za pomocą mikrosoczewkowania
Odkrycie jest częścią projektu Zhanga, mającego na celu dokładniejsze zbadanie zjawisk mikrosoczewkowania, które wskazują na obecność planet, w celu zrozumienia, wokół jakich typów gwiazd żyją egzoplanety.
„Trzeba mieć w tym trochę szczęścia, ponieważ można się spodziewać, że mniej niż jedna na 10 gwiazd mikrosoczewkowanych z planetami będzie białymi karłami” – powiedział Zhang.
Nowe obserwacje pozwoliły także Zhangowi i współpracownikom rozwiązać niejasności dotyczące lokalizacji brązowego karła.
„Oryginalna analiza wykazała, że brązowy karzeł znajduje się albo na bardzo szerokiej orbicie, jak Neptun, albo bardzo blisko orbity Merkurego. Olbrzymie planety na bardzo małych orbitach są w rzeczywistości dość powszechne poza Układem Słonecznym” – powiedział Zhang, odnosząc się do klasy planet planety zwane gorącymi Jowiszami. „Ale skoro teraz wiemy, że krąży wokół pozostałości po gwiezdnej atmosferze, jest to mało prawdopodobne, ponieważ zostałby pochłonięty”.
Niejednoznaczność modelowania wynika z tak zwanej degeneracji mikrosoczewkowania, w której dwie różne konfiguracje soczewkowania mogą powodować ten sam efekt soczewkowania. Ta degeneracja jest powiązana z tą, którą Zhang i Bloom odkryli w 2022 roku przy użyciu metody sztucznej inteligencji do analizy symulacji mikrosoczewkowania. Zhang zastosował również tę samą technikę sztucznej inteligencji, aby wykluczyć alternatywne modele KMT-2020-BLG-0414, które mogły zostać pominięte.
„Mikrosoczewkowanie stało się bardzo interesującą metodą badania innych układów gwiezdnych, których nie można zaobserwować i wykryć konwencjonalnymi metodami, tj. metodą tranzytu lub metodą prędkości radialnej” – powiedział Bloom. „Istnieje cały zestaw światów, które teraz otwierają się przed nami poprzez kanał mikrosoczewkowania, a ekscytujące jest to, że jesteśmy o krok od znalezienia takich egzotycznych konfiguracji”.
Jednym z celów należącego do NASA Teleskopu Rzymskiego Nancy Grace, którego wystrzelenie zaplanowano na 2027 r., jest pomiar krzywych blasku powstałych w wyniku zjawisk mikrosoczewkowania w celu znalezienia egzoplanet, z których wiele będzie wymagało obserwacji za pomocą innych teleskopów w celu zidentyfikowania typów gwiazd będących gospodarzami egzoplanet.
„Wymagane jest uważne monitorowanie najlepszych obiektów na świecie, tj. optyki adaptacyjnej i Obserwatorium Kecka, nie tylko dzień lub miesiąc później, ale wiele, wiele lat w przyszłość, po tym, jak soczewka odsunie się od gwiazdy tła abyś mógł zacząć ujednoznaczniać to, co widzisz” – powiedział Bloom.
Zhang zauważył, że nawet jeśli Ziemia zostanie pochłonięta podczas fazy czerwonego olbrzyma Słońca za mniej więcej miliard lat, ludzkość może znaleźć schronienie w zewnętrznym Układzie Słonecznym. Wydaje się, że kilka księżyców Jowisza, takich jak Europa, Kallisto i Ganimedes oraz Enceladus wokół Saturna, ma zamarznięte oceany wodne, które prawdopodobnie rozmrożą się w miarę rozszerzania się zewnętrznych warstw czerwonego olbrzyma.
„Gdy Słońce stanie się czerwonym olbrzymem, zamieszkała strefa przesunie się w okolice orbity Jowisza i Saturna, a wiele z tych księżyców stanie się planetami oceanicznymi” – powiedział Zhang. „Myślę, że w takim przypadku ludzkość mogłaby tam wyemigrować”.
Innymi współautorami są Weicheng Zang i Shude Mao z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie w Chinach, którzy są współautorami pierwszego artykułu na temat KMT-2020-BLG-0414; były doktorant Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Kareem El-Badry, obecnie adiunkt w California Institute of Technology w Pasadenie; Eric Agol z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Seattle; B. Scott Gaudi z Ohio State University w Columbus; Quinn Konopacki z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego; Natalie LeBaron z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley; i Sean Terry z Uniwersytetu Maryland w College Park.