Του Νίκου Νανούρη
Μια πρώτη γνωριμία με τους εξωπλανήτες
Μέχρι σήμερα έχουν επιβεβαιωθεί περισσότεροι από 3.500 εξωπλανήτες. Η ονοματοδοσία των εξωπλανητών είναι απλή, καθώς ένα μικρό γράμμα του αγγλικού αλφαβήτου συνοδεύει το όνομα του μητρικού αστέρα γύρω από τον οποίο ανακαλύφθηκαν. Στον πρώτο εξωπλανήτη που ανακαλύπτεται χρονολογικά αποδίδεται το γράμμα «b» και ακολουθούν τα επόμενα «c», «d» κ.ο.κ. για τους μεταγενέστερου, ανεξάρτητα από την απόστασή τους από τον μητρικό αστέρα (π.χ. 55 Cnc b, 55 Cnc f κ.λπ.). Έπειτα από περίπου δύο δεκαετίες έρευνας, είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε ότι οι εξωπλανήτες δεν έχουν μάζα τυχαία κατανεμημένη. Ένα μεγάλο μέρος τους έχει μάζα περίπου 10 φορές εκείνης της Γης (υπερ-Γαίες, super-Earths), ενώ ακόμα ένα μεγαλύτερο μέρος τους έχει μάζα περίπου 500 φορές εκείνης της Γης (θερμοί Δίιοι εξωπλανήτες, hot Jupiters). Ας σημειωθεί ότι η δεύτερη από τις ομάδες αυτές οφείλει την ονομασία της στις εγγύτερες τροχιές προς το μητρικό αστέρι σε σχέση με εκείνη του Δία, οδηγώντας σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Η συχνότητα εμφάνισης εξωπλανητών με μάζα 50 φορές μικρότερη εκείνης της Γης (δηλαδή τουλάχιστον υποδιπλάσιας του Κρόνου) εκτιμάται στο 30% των αστέρων ηλιακού τύπου, ενώ περίπου το 50% των αστέρων που διαθέτει έναν εξωπλανήτη χαρακτηρίζεται πολυ-πλανητικό, διαθέτει δηλαδή δομή όμοια με το ηλιακό μας σύστημα.
Αστρομετρία: Το πάθημα που δεν έγινε μάθημα…
Έχουν ήδη περάσει περισσότερα από 25 χρόνια από την ανακάλυψη του πρώτου εξωπλανήτη (γ Cep b) από τον Campbell (Πανεπιστήμιο Βικτώριας, Καναδάς) και την ομάδα του το 1988 και περισσότερα από 20 χρόνια από την ανακάλυψη εξωπλανήτη ο οποίος περιστρέφεται γύρω από αστέρα όμοιο με τον Ήλιο (51 Peg b) από τους Mayor και Queloz (Πανεπιστήμιο της Γενεύης) το 1995. Μέχρι τότε, όμως, το χρονικό των προσπαθειών για την ανακάλυψη εξωπλανητών περιελάμβανε μια σειρά αποτυχιών. Η παλιότερη αστρονομική μέθοδος, εκείνης της αστρομετρίας, της καταγραφής δηλαδή της θέσης των ουράνιων αντικειμένων στον ουράνιο θόλο, ήταν φυσικό να αξιοποιηθεί στην αναζήτηση εξωπλανητών.
Ένα αστέρι το οποίο διαθέτει συνοδό οφείλει να περιστρέφεται γύρω από το κοινό κέντρο μάζας του συστήματος, το οποίο δεν ταυτίζεται πλέον με το κέντρο του ίδιου του αστεριού (όπως θα ίσχυε εάν αυτό ήταν μόνο του). Συστηματικές παρατηρήσεις των κινήσεων αυτών είναι δυνατό να οδηγήσουν στην υποψία παρουσίας εξωπλανητών εφόσον οι κινήσεις αυτές αποδειχθούν περιοδικές και ευσταθείς. Το 1943 ανακοινώθηκε η ανακάλυψη ενός εξωπλανήτη με μάζα 10 φορές μεγαλύτερη εκείνης του Δία γύρω από το αστέρι 70 Oph από τους Reuyl και Holmberg (Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια, ΗΠΑ). Η ανακοίνωση έγινε δεκτή με ενθουσιασμό από την αστρονομική κοινότητα. Υποψίες για την παρουσία συνοδού για το συγκεκριμένο αστέρι είχαν ήδη διατυπωθεί από το Jacob, του Πανεπιστημίου του Μαντράς στην Ινδία, το 1855 και υποστηρίχθηκαν αργότερα (1895-1897) από τον See έπειτα από συστηματικές παρατηρήσεις που πραγματοποιήθηκαν από το τηλεσκόπιο Clarck των 60 cm στο αστεροσκοπείο Lowell των ΗΠΑ.
Μόλις το 1978, ο Heintz (Κολλέγιο Swarthmore, ΗΠΑ) κατέρριψε το ενδεχόμενο της παρουσίας συνοδού στηριζόμενος σε νεότερες και πολυετείς φωτογραφικές παρατηρήσεις των οποίων η ακρίβεια άγγιζε το 1/100 του δευτερολέπτου τόξου (1 δ.τ. = 1/3600 της μοίρας), έχοντας θεωρητικά υπολογίσει ότι η παρουσία συνοδού θα έπρεπε να οδηγεί σε μεταβολές που ξεπερνούν τα 4/100 του δευτερολέπτου τόξου, χωρίς όμως να καταφέρει να τις εντοπίσει. Είναι προφανές ότι το πρόβλημα που ανακύπτει στις αστρομετρικές μελέτες αφορά τις διαταραχές της γήινης ατμόσφαιρας κατά τη μέτρηση των κινήσεων αυτών, την ακρίβεια που επιτρέπει ο εξοπλισμός, αλλά και το φαινόμενο της αστρικής παράλλαξης (μεταβολή της θέσης των αστέρων εξαιτίας της ετήσιας γήινης περιφοράς γύρω από τον Ήλιο), η οποία διαφοροποιείται μεταξύ των παρατηρούμενων αστέρων, καθώς εξαρτάται από την απόστασή τους από τη Γη. Η επίδραση αυτή έχει μάλιστα μεγάλο αντίκτυπο, ειδικά στις περιπτώσεις που ο συνοδός έχει αμελητέα μάζα σε σχέση με το αστέρι, όπως ακριβώς αναμένεται στην περίπτωση των εξωπλανητών.
Ακόμα και στη σύγχρονη εποχή, ανακοινώσεις ανακαλύψεων που προκύπτουν από αστρομετρικές παρατηρήσεις αντιμετωπίζονται με μεγάλο σκεπτικισμό. Το 2009 ανακοινώθηκε από τους Pravdo και Shaklan (Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια, ΗΠΑ) η παρουσία ενός εξωπλανήτη με μάζα 6,4 φορές μεγαλύτερη του Δία γύρω από το αστέρι VB 10. Έναν χρόνο αργότερα, το 2010, η υπόθεση αυτή καταρρίφθηκε, καθώς με τη βοήθεια μιας πιο αξιόπιστης τεχνικής (εκείνης της φασματοσκοπίας) δεν εντοπίστηκε το ίχνος του συνοδού. Η εμπειρία που έχει συσσωρευθεί από επιβεβαιωμένους εξωπλανήτες έδειξε ότι αστρομετρικά απαιτείται ακρίβεια καλύτερη του 1/1000 του δευτερολέπτου τόξου (ισοδύναμη με τον εντοπισμό ενός αυτοκινήτου στην επιφάνεια της Σελήνης από τη Γη) η οποία βρίσκεται συχνά εκτός ορίων των επίγειων παρατηρήσεων και συνεπώς η αστρομετρία αναμένεται να αποδώσει μόνο σε δορυφορικές αποστολές. Μέχρι σήμερα κανένας εξωπλανήτης δεν έχει ανακαλυφθεί μέσω της αστρομετρίας.
Φασματοσκοπία: Η μέθοδος των μεγάλων επιτυχιών
Μέχρι την έναρξη της δορυφορικής εποχής ως μέσο αναζήτησης εξωπλανητών στα μέσα της δεκαετίας του 2000, η φασματοσκοπία μεσουρανούσε όσον αφορά το πλήθος των ανακαλύψεων και μάλιστα εκείνων που δύσκολα χωρούσαν αμφισβήτηση. Σκοπός της μεθόδου αυτής είναι η ανάλυση του φωτός (φάσμα) που δεχόμαστε από ένα ουράνιο αντικείμενο και η παρατήρηση σε αυτό φασματικών γραμμών εκπομπής ή απορρόφησης, οι οποίες οφείλονται στην παρουσία χημικών στοιχείων ή ενώσεων.
Καθώς το αστέρι μας προσεγγίζει ή απομακρύνεται από τη Γη κατά την κίνησή του γύρω από το κέντρο μάζας ενός συστήματος που περιλαμβάνει εξωπλανήτες, οι γραμμές αυτές μετατοπίζονται εξαιτίας του φαινομένου Doppler-Fizeau (με τον ίδιο τρόπο που όταν ένα τρένο κορνάρει, ο ήχος ακούγεται περισσότερο λεπτός όταν απομακρύνεται από εμάς και περισσότερο μπάσος όταν μας πλησιάζει). Η συστηματική καταγραφή των μετατοπίσεων αυτών μας δίνει τη δυνατότητα να γνωρίζουμε την ακριβή ακτινική ταχύτητα (την ταχύτητα δηλαδή ως προς την οπτική ευθεία παρατήρησης Γης-αστέρα) σε οποιοδήποτε σημείο της τροχιάς του και να επιβεβαιώνουμε με τον τρόπο αυτό την περιοδικότητα της κίνησης που εκτελεί, τεχνική η οποία καλείται τεχνική των ακτινικών ταχυτήτων (radial velocity method). Η βελτίωση της ακρίβειας της μεθόδου αυτής τις τελευταίες δύο δεκαετίες είναι εντυπωσιακή. Αξίζει μόνο να σημειωθεί ότι οι ανακαλύψεις των δύο πρώτων εξωπλανητών (γ Cep b το 1988, HD 114762 b το 1989) πραγματοποιήθηκαν με φασματογράφους των οποίων η διακριτική ικανότητα δεν ξεπερνούσε τα 300 m/s, ενώ πλέον η σημερινή ακρίβεια στη μέτρηση ακτινικών ταχυτήτων αγγίζει τα 0,5 m/s.
Παρά την λανθασμένη κοινή αντίληψη, η ανίχνευση γήινων ή ακόμα και ορισμένων υπο-γήινων εξωπλανητών (της τάξης μαζών της Αφροδίτης) βρίσκεται μέσα στα όρια των σημερινών τεχνολογικών δυνατοτήτων. Συγκεκριμένα, οι απαιτούμενες προς μέτρηση ακτινικές ταχύτητες για την περίπτωση αυτή είναι της τάξης των 0,2 m/s, ακρίβεια την οποία διαθέτει ο κορυφαίος σήμερα φασματογράφος HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) προσαρμοσμένος στο τηλεσκόπιο των 3,6 m του αστεροσκοπείου La Silla της Χιλής. Οι δυσκολίες πιστοποίησης της παρουσίας γήινων εξωπλανητών αφορούν την επίδραση της ενδογενούς δραστηριότητας του μητρικού αστέρα, η οποία επιφέρει θόρυβο της τάξης των 0,5 m/s. Η τεχνική των ακτινικών ταχυτήτων έχει σήμερα συνεισφέρει στην ανακάλυψη περίπου 700 εξωπλανητών.
Φωτομετρία: Η μέθοδος των μαζικών ανακαλύψεων στη δορυφορική εποχή
Εφόσον το επίπεδο περιφοράς ενός εξωπλανήτη γύρω από το μητρικό αστέρι τυχαίνει να είναι τέτοιο ώστε όταν ο εξωπλανήτης βρίσκεται μεταξύ του αστέρα και του γήινου παρατηρητή να προκαλείται έκλειψη του αστέρα, το σύστημα εξωπλανήτη-αστέρα μπορεί να μελετηθεί φωτομετρικά. Με τον όρο αυτό εννοούμε ότι είναι δυνατή η καταγραφή των μεταβολών της λαμπρότητας του μητρικού αστεριού εξαιτίας της διάβασης του εξωπλανήτη, μια τεχνική η οποία καλείται ως τεχνική των διαβάσεων (transit method).
Είναι προφανές ότι οι μεταβολές αυτές αναμένονται εξαιρετικά μικρές. Η διάβαση ενός εξωπλανήτη όμοιο με τον Δία μπροστά από ένα αστέρι όμοιο με τον Ήλιο μειώνει τη λαμπρότητα του τελευταίου κατά 1/100, ενώ ενός εξωπλανήτη όμοιου με τη Γη ή τον Άρη κατά 1/10.000 και 1/100.000, αντίστοιχα. Δεν είναι λοιπόν άστοχο το παράδειγμα ενός κουνουπιού το οποίο περνά μπροστά από ένα φάρο όταν θέλουμε να εξηγήσουμε σε κλίμακα τις μεταβολές που θέλουμε να ανιχνεύσουμε. Σε συνδυασμό με τις πολύ αυστηρές γεωμετρικές συνθήκες που απαιτούνται ώστε να παρατηρηθεί μια διάβαση, η τεχνική αυτή δεν μπορεί να έχει μεγάλη επιτυχία μελετώντας έναν μικρό αριθμό αστέρων. Όλα λοιπόν τα προγράμματα φωτομετρικής αναζήτησης εξωπλανητών σχεδιάστηκαν ώστε να παρακολουθούν μεγάλες περιοχές του ουρανού για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Ξεχωριστή θέση κατέχει το βρετανικό πρόγραμμα WASP (Wide Angle Search for Planets), δεκαέξι ρομποτικά τηλεσκόπια μεγάλου οπτικού πεδίου, στα Κανάρια Νησιά και στη Ν.Αφρική σαρώνουν συστηματικά τον ουρανό από το 2006 έχοντας να δείξουν έναν σημαντικό αριθμό ανακαλύψεων στο ενεργητικό τους. Στην ίδια κατεύθυνση με τα επίγεια προγράμματα, το ευρωπαϊκό διαστημικό πρόγραμμα CoRoT (COnvection, ROtation and planetary Transits) κατά το διάστημα 2006-2012 βελτίωσε σε μεγάλο βαθμό τις στατιστικές μας όσον αφορά τους Δίιους εξωπλανήτες, καθώς η ακρίβεια των οργάνων του δεν του επέτρεψαν να ανακαλύψει γήινους εξωπλανήτες. Το εγχείρημα αυτό όμως στέφθηκε αργότερα με απόλυτη επιτυχία με την αμερικανική διαστημική αποστολή Kepler, η οποία από το 2009 παρακολουθεί αδιάκοπα μια μεγάλη περιοχή των αστερισμών Κύκνου και Λύρας η οποία περιλαμβάνει περίπου 150.000 αστέρια, εκ των οποίων τα περισσότερα έχουν λαμπρότητες μικρότερες της ηλιακής ώστε η ανίχνευση γήινων εξωπλανητών να είναι πιο εύκολα υλοποιήσιμη.
Το 2013 ανακοινώθηκε από τον Pepe (Πανεπιστήμιο της Γενεύης) και την ομάδα του η ανακάλυψη του πρώτου εξωπλανήτη Kepler-78b με χαρακτηριστικά σχεδόν όμοια της Γης (1,8 φορές μεγαλύτερος σε μάζα και 1,2 μεγαλύτερος σε διαστάσεις). Η τεχνική των διαβάσεων έχει σήμερα οδηγήσει στην ανακάλυψη του εντυπωσιακού αριθμού των 2.700 και πλέον εξωπλανητών. Αξίζει όμως να σημειωθεί ότι μόνο ο συνδυασμός της φασματοσκοπίας και της φωτομετρίας μπορεί να προσφέρει τον ακριβή προσδιορισμό τόσο των γεωμετρικών (π.χ. όγκος) όσο και των φυσικών (π.χ. μάζα, θερμοκρασία) χαρακτηριστικών ενός εξωπλανήτη. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι γνωστά για περίπου 800 εξωπλανήτες.
