ZIUA KEPLER: In cautarea noilor Pamanturi

Primul pas catre o alta Terra

Prima descoperire de acest fel a fost realizata de catre oamenii de stiinta de la Observatorul din Geneva la 6 octombrie 1995, cand au identificat o planeta-gigant care graviteaza in jurul stelei 51 Pegas, la aproximativ 40 de ani-lumina de Pamant. De atunci, au mai fost identificate peste 300 de planete extrasolare (sau exoplanete, ce graviteaza in jurul altor stele decat Soarele) si 20 de sisteme stelare care concentreaza un cortegiu de planete. Caracteristicile orbitale si proprietatile fizice ale acestor nou-descoperite corpuri ceresti fac necesara o imbunatatire si o actualizare a teoriilor privitoare la formarea planetelor, mai ales pentru a explica existenta unora pentru perioade foarte scurte de timp, a da lamuriri asupra orbitelor lor de multe ori excentrice si a le justifica anumite proprietati fizice, de pilda masa si nucleul. In plus, stelele in jurul carora graviteaza aceste planete sunt mult mai bogate in elemente grele decat Soarele.

• Cât de multe proteine trebuie, de fapt, să consumăm?
• Cititul reduce riscul de demență, iar televizorul îl crește, arată un nou studiu

OGLE 2005-BLG-390Lb, prima planeta de tip terestru descoperita, care nu graviteaza in jurul Soarelui

O prima constatare importanta: diversitatea sistemelor planetare o depaseste pe cea a sistemului nostru solar. Majoritatea planetelor extrasolare sunt gigante (avand un diametru de peste 48.000 km), cel putin la fel de impozante ca Jupiter, cea mai mare planeta a sistemului solar. Dar ele se afla mai aproape de steaua lor decat Mercur de Soare si, in plus, se deplaseaza pe orbite foarte alungite, unele chiar in jurul unor stele care plutesc liber prin spatiu. Pe de alta parte, predominanta planetelor de dimensiuni foarte mari ar putea fi doar aparenta, ca rezultat al lipsei de precizie si de sensibilitate a instrumentelor si metodelor actuale de detectare, acestea neputand identifica planete „micute“, de dimensiunile Terrei. Pentru a descoperi noi corpuri ceresti, astronomii se folosesc de diverse metode, cea mai eficienta fiind velocimetria (masurarea vitezei si a directiei unui fluid, aerul, de exemplu). Prin intermediul velocimetriei, astronomii calculeaza variatiile de viteza radiala ale stelei in jurul careia graviteaza respectivele planete. Insa nu toate planetele pot fi detectate prin aceasta metoda. Dat fiind gradul ei actual de precizie, nu pot fi identificate decat planetele cu o masa de cel putin sapte ori mai mare decat masa terestra. In cazul aplicarii velocimetriei la sistemul nostru solar, doar Jupiter ar putea fi identificat. Misiunea NASA Kepler care se lanseaza sambata, 7 martie, va rezolva aceasta problema, spera oamenii de stiinta.

In ciuda greutatilor intampinate in detectarea unor astri de dimensiuni mai reduse, astronomii au identificat prima planeta de tip terestru care nu graviteaza in jurul Soarelui. Descoperirea, botezata „poetic“ OGLE 2005-BLG-390Lb, este extrasolara cu cea mai redusa masa dintre cele cunoscute pana acum (de doar 5,5 ori masa Terrei) si e situata fata de steaua sa la o distanta de doua ori si jumatate mai mare decat a Pamantului de Soare. Compusa din roci si aproape lipsita de atmosfera, ea contrasteaza cu restul planetelor-gigant, care sunt gazoase, la fel ca Jupiter. Nou-venita in randul extrasolarelor se deosebeste de suratele sale si prin alte caracteristici. Steaua in jurul careia graviteaza, aflata la 22 de mii de ani-lumina de Pamant, este de tipul celei mai mici si mai slabe dintre stele, are culoare rosie, iar masa ei reprezinta cam o cincime din masa Soarelui. Cu o existenta de zece miliarde de ani, ea este insa de doua ori mai in varsta decat sistemul nostru solar. Dar cum OGLE 2005-BLG-390Lb e situata la mare departare de steaua ei, care emite de o suta de ori mai putina lumina decat Soarele nostru, cantitatea de energie pe care o primeste este foarte redusa. Prin urmare, temperatura la suprafata nu ar trebui sa depaseasca minus 220 de grade Celsius. Solul planetei este compus din roci si gheata, astfel incat, daca ar fi sa o comparam cu una dintre planetele sistemului nostru solar, OGLE ar semana mai degraba cu Pluto decat cu astrii telurici de felul Pamantului sau al lui Venus.

Distanta dintre OGLE si steaua sa ridica si problema prezentei apei lichide. Temperatura la suprafata fiind extrem de scazuta, existenta unor oceane care sa acopere planeta este imposibila. Dar apa in stare lichida s-ar putea gasi intre o crusta inghetata la suprafata si un strat de gheata comprimata ce inconjoara o regiune pietroasa (prin analogie cu Europa, un satelit al lui Jupiter). Mentinerea apei in stare lichida ar depinde de caldura degajata prin dezintegrarea elementelor radioactive din interiorul rocilor. Acest fenomen de incalzire interna se deruleaza insa intr-un interval de timp comparabil cu varsta planetei. In plus, producerea de caldura se diminueaza o data cu trecerea timpului. Iar OGLE 2005-BLG-390Lb nu mai e nici ea tanara… Este deci prea putin probabil ca pe o astfel de planeta sa existe viata.

De la Kant citire

Data fiind varietatea noilor sisteme planetare descoperite in ultimii zece ani, oamenii de stiinta s-au vazut nevoiti sa-si revizuiasca teoriile privitoare la formarea planetelor. Paradoxal, primul care a avansat o ipoteza legata de aparitia corpurilor ceresti a fost un filosof, Immanuel Kant, pasionat si de problemele mecanicii celeste. In 1775, el isi imagina ca sistemul nostru solar a aparut dintr-un nor de particule dispersate care, datorita interactiunii gravitationale, au intrat in coliziune unele cu altele si au format, sub efectul „fortelor chimice“, planete.

Pierre Simon de Laplace a preluat ideea conform careia sistemul solar a aparut dintr-o nebuloasa in miscare si i-a conferit o baza stiintifica, publicand, in 1796, in a sa Exposition du Système du Monde, „ipoteza nebuloasei“. Conform acesteia, planetele iau nastere dintr-un nor de gaz si praf in miscare, care se contracta atunci cand se raceste si, in felul acesta, accelereaza. Supuse atat fortei gravitationale, cat si fortei centrifuge, inelele de materie se desprind din nebuloasa si formeaza planetele. Este vorba despre asa-numita teorie Kant-Laplace. De atunci, ipotezele privitoare la aparitia planetelor au evoluat si cateva idei de-ale lui Kant si Laplace au fost confirmate. Totusi, pana nu demult, singurul „esantion“ pe care astronomii puteau testa aceste teorii era Sistemul Solar, cu cele noua planete ale sale, cu sateliti si miriade de corpuri mici. Descoperirea lui OGLE 2005-BLG-390Lb a dat peste cap, dintr-o singura lovitura, intregul domeniu de cercetare si, in acelasi timp, a raspuns asteptarilor celor ce priveau cerul in cautarea altor lumi.

Immanuel Kant (1724-1804, stanga) si Pierre Simon de Laplace (1749-1827, drepata)

Majoritatea sistemelor planetare descoperite pana in prezent sunt radical diferite de sistemul nostru solar. Din acest motiv, imaginatia astronomilor a fost pusa greu la incercare. Aproape toate planetele extrasolare se aseamana cu planete-gigant de tipul lui Jupiter si Saturn, insa o cincime dintre ele graviteaza foarte aproape de steaua lor (la distante de sute de ori mai mici decat cea dintre Terra si Soare), avand perioade de revolutie de cateva zile. In fata acestei anomalii, teoriile referitoare la aparitia planetelor au fost, daca nu complet puse sub semnul indoielii, macar reanalizate.

S-a nascut o mica stea…

Laplace avea dreptate in cateva privinte: stelele, Soarele in particular, apar ca urmare a contractiei gravitationale a norilor de gaz si a prafului in miscare circulara. In urma rotirii, contractia generata antreneaza formarea unui disc turtit. Toate observatiile din ultimii 20 de ani indica faptul ca o parte din materia acestui disc deviaza apoi in spirala spre centru, pentru a fi in final capturata de stea. Exista suficiente certitudini ca aceste discuri reprezinta locul de formare a planetelor, fapt ce le-a atras denumirea de discuri protoplanetare. Planete telurice sau gigant, toate se formeaza din astfel de discuri de gaz si de praf.

Astazi se stie ca planetele telurice (compuse in principal din roci sau metale, cu o densitate relativ ridicata, o miscare de rotatie lenta si o suprafata solida, care nu au inele si au putini sateliti, de exemplu Mercur, Venus, Terra sau Marte) iau nastere prin acumularea succesiva de materiale solide, constituite din elemente care s-au condensat in preajma discurilor protoplanetare. Aceasta teorie, avansata in secolul al XIX-lea, a fost dezvoltata abia in anii ’60 ai sec. XX, de catre cercetatorii de la Universitatea din Moscova. Acestia au propus un calcul detaliat al etapelor formarii planetelor. Pe scurt, discurile protoplanetare sunt alcatuite initial, in mare parte, din hidrogen si heliu, plus un procent de 1% praf. Dimensiunea semintelor de praf este de ordinul unei milionimi de milimetru. Insa, in ciuda acestui fapt, ele joaca un rol fundamental in formarea planetelor, fiind materia lor de baza. Intr-o prima etapa, praful se sedimenteaza. La fel ca gazul, el este supus atractiei gravitationale a stelei si intra in coliziune cu alte molecule. Forta de gravitatie tinde sa grupeze particulele in planul ecuatorial al discului. Coliziunea dintre moleculele de gaz provoaca o presiune ce tinde sa le disperseze, astfel incat gazul ramane suspendat de o parte si de alta a planului ecuatorial. In schimb, ciocnirea firelor de praf, intre ele sau cu moleculele de gaz, nu este suficienta pentru a le impiedica sa se depuna pe planul discului, unde se tot aduna. In acest fel, in cateva zeci de miliarde de ani sau chiar mai mult, un strat subtire de praf cu diametrul de un centimetru se formeaza pe planul ecuatorial al discului. Transformarea firelor de praf in planete de dimensiuni kilometrice ramane insa, in continuare, subiect de controverse.

… dar si una mai mare

In ceea ce priveste aparitia planetelor de mari dimensiuni, exista doua teorii. Prima, lansata in anii ’50 de Gerard Kuiper, se inrudeste cu cea imaginata de Laplace, potrivit careia planetele-gigant sunt rezultatul slabirii fortei gravitationale si fragmentarii unui disc protostelar masiv. Majoritatea simularilor numerice demonstreaza insa ca un asemenea proces ar conduce de prea putine ori la formarea unor planete de dimensiunea lui Jupiter. A doua teorie a fost propusa in 1973 de cercetatorii de la Centrul pentru Astrofizica din cadrul Universitatii Harvard. Conform ei, mai intai se formeaza un nucleu, in acelasi mod ca la planetele telurice, dupa care, odata devenit indeajuns de masiv, acesta capteaza mari cantitati de gaz, care vor forma atmosfera planetei. Teoria are insa un inconvenient: cel al timpului. Nucleul trebuie sa devina suficient de mare pentru a se putea inconjura de un invelis de gaz si e obligat sa creasca inainte de a se risipi acest invelis.

Pentru a se putea forma, planetele-gigant au nevoie de un nucleu mult mai masiv decat cel al planetelor telurice. De aceea, se crede ca ele apar sub limita de la care este suficient de frig pentru ca apa, hidrogenul sau carbonul sa se mentina in forma solida. Cum spuneam, odata format, nucleul viitoarei planete-gigant trebuie sa se „doteze“ cu atmosfera. Se presupune ca gazul dispare din jurul respectivei planete cel tarziu la capatul catorva zeci de milioane de ani. Daca planetele telurice, mai micute, constituite exclusiv din elemente grele, isi pot definitiva cresterea si intr-un mediu lipsit de gaz, planetele-gigant, in schimb, trebuie sa se formeze cat timp discul este inca bogat in gaz. Formarea completa a unei planete-gigant gazoase intr-un timp mai scurt decat durata de viata a discului protoplanetar ramane in continuare o provocare pentru oamenii de stiinta. Teoria formarii planetelor de mari dimensiuni se aplica insa numai unora dintre acestea. Uranus si Neptun, de exemplu, nu au putut captura o atmosfera masiva, pe cand Jupiter si Saturn sunt compuse in principal din gaz, pentru ca nucleul lor a atins nivelul masei critice.

Si planetele migreaza

Un alt proces, descoperit in urma cu mai bine de 20 de ani, vorbea despre migrarea planetelor. Din lipsa de date si de posibilitati de confirmare, teoria a fost abandonata. Dupa descoperirea primei planete extrasolare, OGLE 2005-BLG-390Lb, ideea a fost reluata, devenind parte centrala a ipotezei privitoare la formarea sistemelor planetare. Migratia se bazeaza pe interactiunea gravitationala a protoplanetei cu gazul care o inconjoara, fiind vorba de procese de tipul mareelor create intre Luna si Pamant. Se stie ca Pamantul se roteste in jurul axei sale mai rapid decat se invarte Luna in jurul Terrei, respectiv o zi fata de 27 de zile. Urmarea: atractia exercitata de Luna asupra Pamantului incetineste, imperceptibil, e-adevarat, rotatia acestuia. In schimb, momentul cinetic al Lunii creste, ceea ce, conform legilor lui Kepler, o impinge pe o orbita mai inalta. Astfel, Luna se indeparteaza de planeta noastra.

Un embrion de planeta ascuns intr-un disc protoplanetar exercita efecte de maree similare asupra gazului din zona sa de influenta gravitationala. Planeta se misca mai incet decat gazul respectiv, astfel ca, prin acelasi mecanism, o fractiune din momentul cinetic al sistemului este transferata de la gaz spre protoplaneta, fapt ce o face pe aceasta sa cada pe o orbita mai joasa, planeta fiind impinsa pe o orbita mai departata. Invers, interactiunea gravitationala cu gazul aflat in exteriorul orbitei protoplanetei impinge planeta pe o orbita mai joasa. Aceste interactiuni gravitationale au efecte diferite, in functie de raportul maselor gazului/planetei. De exemplu, daca masa planetei este neglijabila in comparatie cu a gazului care o inconjoara, orbita gazului nu se va modifica intr-un mod observabil, pe cand orbita protoplanetei o va face.

Oamenilor de stiinta le raman in continuare multe intrebari fara raspuns. Insa, odata pornit pe acest drum, nu mai exista cale de intoarcere. Se estimeaza ca, pana in 2050, cercetatorii vor dispune de telescoape spatiale interferometrice, capabile sa identifice planetele de marimea Terrei si sa spuna cu precizie daca pot adaposti forme de viata. In prezent, singura metoda pentru detectarea planetelor extrasolare utilizeaza fenomenul de microlentile (sau lentile gravitationale), care face ca o stea sa apara, temporar, mai luminoasa decat este in realitate. Evident, astronomii nu observa direct corpurile ceresti, ci doar efectele generate de masa lor. Viitorul suna insa bine.

FACTS

 Ogle cea rece
Planetele extrasolare telurice trezesc un interes deosebit, deoarece se aseamana cel mai mult cu Pamantul si deci ar putea gazdui forme de viata. Totusi, limitele tehnice nu permit inca detectarea unor corpuri ceresti de dimensiuni reduse, cele mai mici planete telurice descoperite avand in medie o masa de aproximativ douasprezece ori mai mare decat a Terrei. Cea mai „micuta“ ramane pana in prezent OGLE 2005-BLG-390Lb, cu o masa de 5,5 ori mai mare decat a Pamantului. Este situata in constelatia Sagetatorului, aproape de mijlocul Caii Lactee, fiind planeta cea mai indepartata identificata pana in prezent. Orbita ei se afla de trei ori mai departe de steaua in jurul careia graviteaza decat orbita Terrei fata de Soare, OGLE 2005-BLG-390Lb executand o miscare de revolutie in aproximativ zece ani. Aceasta planeta, cu o temperatura apropiata de cea de pe Neptun sau Pluto, este prea rece pentru a adaposti forme de viata.

Legile lui Kepler
In astronomie, legile lui Kepler descriu miscarile planetelor in jurul Soarelui (sau in jurul stelei sistemului planetar respectiv) si, in general, comportamentul oricarui sistem de doua corpuri intre care actioneaza o forta invers proportionala cu patratul distantei. Cele trei legi au fost enuntate la inceputul secolului al XVII-lea, de catre astronomul german Johannes Kepler, care a utilizat observatiile facute de astronomul danez Tycho Brahe asupra orbitei planetei Marte. Aceste legi nu sunt valabile insa decat in sistemul mecanicii newtoniene. Primele doua au fost publicate in 1609, in Astronomia nova, cea de a treia in 1619, in lucrarea Harmonices mundi. Aceste teze au dus la ruperea definitiva de credinta, ce durase timp de secole, ca planetele s-ar misca in jurul Soarelui pe traiectorii circulare. Legile lui Kepler au constituit baza pentru formularea, de catre Isaac Newton, a legilor gravitatiei si au o deosebita importanta pentru intelegerea miscarii corpurilor ceresti, de exemplu a Pamantului si a celorlalte planete, in jurul Soarelui, ori a Lunii si a satelitilor artificiali in jurul Pamantului.

Astronomul si matematicianul german Johannes Kepler (1571-1630), autorul legilor miscarii planetare. Lucrarile sale revolutionare pentru timpul in care a trait, Astronomia nova, Harmonices Mundi si Sumarul Astronomiei lui Copernic stau la baza Revolutiei stiintifice din secolul XVII.

Clonele Pamantului
Cercetari generate pe calculator au demonstrat ca 50% dintre sistemele exoplanetare ar putea contine o planeta cu caracteristicile Pamantului si cu o durata de viata de cel putin un miliard de ani – timpul minim necesar pentru ca viata sa poata aparea pe o asemenea planeta. In jurul fiecarei stele exista, teoretic, o zona in care conditiile fizice (in special temperatura) sunt compatibile cu existenta vietii, cel putin asa cum o cunoastem noi. Agentia Spatiala Europeana pregateste mai multe misiuni al caror scop ambitios este descoperirea de noi planete telurice, iar apoi determinarea probabilitatii ca acestea sa fie locuibile sau, mai mult, locuite. Pentru asta se va incerca, prin intermediul spectroscopiei cu infrarosu, definirea compozitiei pe care o are atmosfera exoplanetei, pentru a se detecta urmele de CO2. Celelalte elemente descoperite vor putea da informatii despre nivelul biologiei planetei respective. Astfel, eventuala prezenta de H2O si O3 ar presupune conditii de tip terestru, iar prezenta CH4 si O2 ar indica un echilibru chimic care ar putea sugera prezenta unor forme de viata biologice.

CITESTE PE ACEEASI TEMA:

• Marea cucerire a Universului a inceput, celalalt episod dedicat de DESCOPERA.RO Zilei Kepler, din care afli de ce sonda spatiala NASA Kepler are mari sanse sa descopere lumi asemanatoare cu Pamantul si cum pot arata acestea
• Trei Super-Pamanturi descoperite in spatiul extrasolar
• Planetele asemanatoare Pamantului, la o distanta 30 de ani-lumina?
• A fost descoperita o noua exoplaneta masiva
• Caldura exoplanetelor fierbinti, detectata pentru prima data
• Lume extraterestra, descoperita de astronomii francezi
• Metanul, descoperit pentru prima data pe o planeta indepartata

SPUNE-TI SI TU PAREREA! Crezi ca misiunea Kepler va avea succes? Crezi ca undeva in spatiu exista viata sau civilizatii extraterestre? Va ramane omenirea pentru totdeauna pe Terra sau la un momentdat vom migra pe alte planete? Ce parere ai despre acest articol?