Mimo, iż znamy tysiące planet pozasłonecznych (egzoplanet), jedynie małą cześć z nich udało się odkryć metodą obrazowania bezpośredniego, tj. zobaczyć na zdjęciach, oraz powiedzieć coś o ich atmosferze czy budowie wewnętrznej. Trudności obserwacyjne, takie jak niewielka jasność planet, czy rozmycie obrazu spowodowane działaniem ziemskiej atmosfery, sprawiły, że próby poszukiwania egzoplanet metodą obrazowania wymagają stosowania dużych teleskopów, wyposażonych w zaawansowanie technicznie systemy optyczne (tzw. optykę adaptatywną, AO), oraz sporo szczęścia. Dodatkowo, żeby zwiększyć szanse na wykrycie planety lub brązowego karła, astronomowie brali na cel głównie młode i pobliskie gwiazdy. Wciąż jednak w znakomitej większości przypadków nie udawało się zarejestrować żadnego towarzysza. Astronomowie szukali zatem sposobów, aby tak wybierać obiekty do obserwacji, żeby jak najbardziej zwiększyć szanse powodzenia.
Jednym z bardziej obiecujących sposobów „preselekcji” gwiazd okazuje się być wykorzystanie astrometrii, a konkretnie poszukiwanie zmian w tzw. ruchu własnym gwiazd. Jest to wektor pokazujący kierunek i prędkość przesuwania się gwiazdy na niebie. Trwająca właśnie misja kosmiczna Gaia dostarcza precyzyjnych danych astrometrycznych, czyli na temat położenia i ruchu gwiazd. Podobne pomiary, aczkolwiek mniej precyzyjne i dla mniejszej ilości gwiazd, wykonywała ponad 20 lat temu misja Hipparcos. Połączenie danych z Gaii i Hipparcosa pozwala zatem na śledzenie ruchu własnego na przestrzeni dekad.
Jak się okazuje, w wielu przypadkach Gaia zmierzyła wartość inną niż Hipparcos, tzn. obecny kierunek i prędkość ruchu danej gwiazdy nieco się zmieniła w ciągu 20 lat. Jednym z powodów takiej zmiany jest wpływ grawitacyjny niewidocznego towarzysza, który powodowałby, że gwiazda dodatkowo krąży wokół wspólnego środka masy z długim (mierzonym w dziesiątkach czy setkach lat) okresem orbitalnym. Wybór takich „przyspieszających”[1] gwiazd do poszukiwania brązowych karłów i planet metodą obrazowania okazał się być „strzałem w dziesiątkę”.
W publikacji "Direct imaging and astrometric detection of a gas giant planet orbiting an accelerating star", która właśnie ukazała się w czasopiśmie Science, międzynarodowy zespół astronomów, w skład którego wchodzi dr hab. Krzysztof Hełminiak z CAMK, opisał odkrycie egzoplanety HIP 99770b – pierwszego ciała o masie planetarnej, odkrytego dzięki połączeniu danych astrometrcznych i metody obrazowania[2].
Planeta ukazała się uczonym bezpośrednio na zdjęciach wykonanych w podczerwieni instrumentem SCExAO/CHARIS, umieszczonym na teleskopie Subaru, oraz kamerą NIRC2 na teleskopie Keck II. Dodatkowo, dane ze SCExAO/CHARIS pozwoliły na odtworzenie widma atmosfery samej planety, w którym wykryto obecność pary wodnej, oraz prawdopodobnie tlenku węgla. Ponadto, same dane z misji Hipparcos i Gaia zostały wykorzystane nie tylko do wyboru celu obserwacji, ale także do zmierzenia masy dynamicznej odkrytego ciała, co do tej pory udało się jedynie w kilku przypadkach.
Przy masie 16+/- 5 mas Jowisza, HIP 99770b znajduje się na umownej granicy między masywnymi planetami i lekkimi brązowymi karłami, ale stosunek jej masy do masy gwiazdy (q~0.0084), oraz rozmiar orbity (a~16.4 AU) wskazują na bardziej „planetarny” scenariusz jej powstania, z niestabilności w dysku akrecyjnym protogwiazdy. Przykład HIP 99770b pokazuje dobitnie, że archiwalne dane astrometryczne pozwalają nie tylko na bardziej skuteczne wykrywanie planet, ale także na dokładniejsze ich opisywanie.
Warto nadmienić, że nie jest to pierwszy przykład udanego wykorzystania tego typu metody. Pod koniec 2022 r. ten sam zespół naukowców, również przy udziale dr. Hełminiaka, zaprezentował odkrycie brązowego karła wokół „przyspieszającej” gwiazdy z gromady otwartej Hiad. W lutym tego roku zaś, aż trzy niezależne grupy badawcze pochwaliły się odkryciem planety o masie ok. 5 mas Jowisza wokół gwiazdy AF Lep.
[1]Każda zmiana wektora prędkości w czasie jest nazywana przyspieszeniem.
[2]Wyniki zostały dopuszczone do publikacji już w lipcu 2022, ale sama praca ukazała się dopiero w kwietniu 2023.
Tekst: Krzysztof Hełminiak
