Jak sfotografować egzoplanetę? – rozmowa z Krzysztofem Hełminiakiem

To zdumiewające, że w zaledwie trzy dekady od pionierskich badań Aleksandra Wolszczana, jesteśmy w stanie bezpośrednio dojrzeć obce światy oddalone o całe lata świetlne. Oczywiście w spektakularnych obserwacjach nadal biorą udział Polacy.

Pomysł na tę rozmowę zrodził się przypadkiem. W kwietniu tego roku udostępniłem w kanałach społecznościowych kapitalne zdjęcie, czy raczej gif, będący wynikiem pracy hawajskich teleskopów Kecka i Subaru. Seria obserwacji pozwoliła nie tylko na bardzo wyraźne, bezpośrednie dojrzenie planety w układzie HIP 99770, ale nawet na zarejestrowanie jej ruchu wobec gwiazdy. Co prawda, nie była to pierwsza optyczna detekcja egzoplanety (ta nastąpiła w roku 2004), ale publikacja i tak zasługiwała na uwagę. Po pierwsze z uwagi na niedorzeczne rozmiary uchwyconego obiektu, przypuszczalnie ponad czternastokrotnie masywniejszego od Jowisza. Po drugie, w związku z wykorzystaniem przez astronomów nowych metod astrometrii i obrazowania. Wreszcie dlatego, że podobne fotografie odległych globów to wciąż rzadkość, a każda kolejna pokazuje nam ciut więcej od poprzednich.

W każdym razie, po bliższym przyjrzeniu się artykułowi opublikowanemu w Science, zauważyłem na liście autorów jedno znajomo brzmiące nazwisko – Krzysztofa Hełminiaka. Świat okazał się zdumiewająco mały, ponieważ Krzysztof to nie tylko niezmiernie zdolny polski astronom, doktor nauk fizycznych i pracownik Centrum Astronomicznego im. Kopernika PAN, ale również… wieloletni bywalec bloga. Nie mogłem więc nie złożyć mu gratulacji i nie zasypać gradem pytań.


A. A.: Drogi Krzysztofie, zaglądając do Twojego CV zobaczyłem doprawdy imponującą listę obserwatoriów, z którymi miałeś okazję współpracować. Naliczyłem osiemnaście teleskopów z czterech kontynentów! Która placówka zrobiła na Tobie największe wrażenie?

K. H.: Jeśli chodzi o sam teleskop, to chyba Gemini North. Jest to jeden z dwóch bliźniaczych teleskopów obserwatorium Gemini, stojący na szczycie wulkanu Mauna Kea na Hawajach (drugi jest w Chile). Po wejściu do kopuły człowiek czuł się jak w luksusowej limuzynie. Z kolei najlepsze obserwatorium pod kątem komfortu pracy to według mnie Cerro Paranal w Chile, gdzie stoją teleskopy Europejskiego Obserwatorium Astronomicznego (ESO). Ich główny budynek socjalny ma m.in. małą dżunglę i basen.

Krzysztof Hełminiak w Obserwatorium Paranal położonym w chilijskich Andach.

I to są godne warunki pracy.

A warto zaznaczyć, że znajduje się pośrodku pustyni. Szkoda, że go wysadzili w powietrze w Quantum of Solace… 🙂

Natomiast zdecydowanie najmilej wspominam obserwacje na szwajcarskim teleskopie Eulera, należącym do Obserwatorium Genewskiego, ale stojącym w obserwatorium La Silla w Chile. Jest to mały, ale uroczy i dosyć nowoczesny sprzęt, sterowany z wygodnego domku, który może służyć za całkiem przyjemne mieszkanie. Gościnność szwajcarskich astronomów i obecność sporej kuchni sprawiały, że za dnia było to popularne miejsce spotkań. W dodatku z widokami na góry i dziką przyrodę. Sama La Silla jest pięknie położona, pełna dzikich zwierząt (zwłaszcza wiskacze są przeurocze), a tamtejsza kuchnia serwuje trzy duże ciepłe posiłki na dobę.

Wiskacz
Wiskacze są CUDOWNE.

Zaczynam Ci zazdrościć pracy, więc lepiej przejdźmy do nauki. Jak trafiłeś do ekipy badającej układ HIP 99770? Sądząc po nazwiskach byłeś chyba jedynym polskim astronomem w tym międzynarodowym towarzystwie?

W ogóle byłem chyba pierwszym Polakiem pracującym dla obserwatorium Subaru, z którego w zasadzie wywodzi się ta grupa badawcza. W 2013 roku, za namową żony, przeniosłem się z Chile na Hawaje, właśnie do Subaru, żeby odbyć swój drugi staż podoktorski. Miałem tam za zadanie zarówno prowadzić własne badania, jak i dołączyć do już istniejącego projektu. Najbliższy moim zainteresowaniom i doświadczeniu wydawał się Strategic Exploration of Exoplanets and Disks with Subaru (SEEDS), którego kierownikiem był Motohide Tamura. Tam właśnie poznałem Thayne’a Curriego (pierwszego autora publikacji o HIP 99770), czy ludzi, którzy wówczas budowali instrumenty SCExAO i CHARIS, wykorzystane do tego badania (Olivier Guyon, Nem Jovanovic, Julien Lozi i inni). Po formalnym zakończeniu SEEDS, projekt przeszedł w mniej formalną fazę, tzw. post-SEEDS, w ramach której obserwowano właśnie m.in. HIP 99770.

HIP 99770 b nie jest pierwszą egzoplanetą, którą zdołaliśmy sfotografować, ale (powtarzając za informacją prasową ze strony Kecka), pierwszą znalezioną dzięki połączeniu astrometrii i bezpośredniego obrazowania. Mógłbyś przybliżyć w czym rzecz? Czym różni się nowa metoda, od tej, która pozwoliła na odkrycie np. Fomalhauta b?

Przede wszystkim tym, że nie szukamy “na ślepo”, jak do tej pory. Do obserwacji wybieramy gwiazdy, co do których podejrzewamy, w oparciu o wcześniejsze informacje, że coś może wokół nich krążyć. Co to za informacje? Krótko mówiąc astrometria (pomiary położenia gwiazdy na niebie), a dokładniej zmiana w czasie tzw. ruchu własnego, czyli prędkości i kierunku w jakim gwiazda przemieszcza się po niebie w długich skalach czasowych. Na przestrzeni ostatnich lat pomiarów takiego ruchu dostarczyła misja Gaia, zaś dwie dekady wcześniej misja Hipparcos. Często okazuje się, że to, co zmierzyła Gaia nie pasuje do wyników z Hipparcosa, czyli że po 20 latach dana gwiazda leci w nieco inną stronę i z nieco inną prędkością. Jednym z wyjaśnień (chociaż nie jedynym możliwym) jest obecność drugiego ciała, które “ciągnie gwiazdę na bok” swoją grawitacją. Teraz trzeba tylko istnienie takiego ciała potwierdzić, a tak się szczęśliwie składa, że większą zmianę ruchu własnego powodują większe ciała na większych odległościach od swoich gwiazd macierzystych, co dobrze pasuje do naszych obecnych możliwości robienia zdjęć planetom.

Wynik opisywanych obserwacji. Oznaczona żółta plamka to właśnie planeta pozasłoneczna HIP 99770 b.

To astrometria, a jak prawidłowo rozumieć bezpośrednie obrazowanie?

Można powiedzieć, że jest to próba wykrycia światła pochodzącego od planety bezpośrednio na wykonanym zdjęciu, czy raczej na czymś w rodzaju zdjęcia. Może chodzić zarówno o odbite światło gwiazdy, jak i o własną, termiczną emisję promieniowania planety.

Czytając wypowiedzi lidera zespołu Thayne’a Curriego, można odnieść wrażenie, że nowa metoda kosztuje wiele wysiłku. Co sprawia największy problem i co zajmuje najwięcej czasu?

I tak jest szybciej niż kiedyś, gdy szukaliśmy “na ślepo”! Sama metoda obrazowania, jeśli ma być skuteczna w wykrywaniu planet, wymaga zastosowania bardzo skomplikowanych instrumentów, bazujących na technologiach nieosiągalnych kilka czy kilkanaście lat temu. Do tego dochodzi skomplikowany matematycznie post-processing, czyli usuwanie ze zdjęć różnych efektów instrumentalnych oraz światła samej gwiazdy, które skutecznie zaśmieca nam obrazek. Zwróć uwagę jak “wyczyszczone” są obrazki pokazujące planetę. Kolejna rzecz to fakt, że obserwację trzeba powtórzyć, minimum po pół roku, aby wykluczyć możliwość złapania na zdjęciu jakiejś gwiazdy tła, znajdującej się dużo dalej niż nasz cel, ale przypadkiem widocznej w jego pobliżu. No i na koniec przydałoby się jakieś oszacowanie masy towarzysza, na podstawie np. jego orbity, jasności w różnych barwach, czy nawet widma. Zbieranie i pełna analiza danych dla jednego obiektu może potrwać kilka lat.

Ile zatem trwał cały proces w przypadku HIP 99770? W którym roku rozpoczęto obserwacje, ukoronowane niedawną publikacją?

Pierwsza obserwacja jest z lipca 2020, ostatnia z października 2021. W sumie było 6 wizyt, z wykorzystaniem dwóch teleskopów: Subaru i Keck II. Pierwsza wersja publikacji została wysłana do czasopisma bodajże w lutym 2022, jeśli dobrze pamiętam.

Teleskop Subaru, czyli jedno z legendarnych obserwatoriów położonych na zboczu szczytu Mauna Kea.

Czym w ramach tych badań zajmowałeś się osobiście?

Głównie opisem gwiazdy macierzystej. Bez tego nie da się odpowiedzieć na wiele pytań, np. o to jak planeta powstała, ile ma lat, albo czy w ogóle jest planetą. “Poznasz planetę po gwieździe jej”!

Kiedy jeszcze pracowałem na Hawajach, zajmowałem się w ramach SEEDS i post-SEEDS także innymi kandydatami, wybranymi w nieco inny sposób, na podstawie zmian prędkości radialnych gwiazd. Ale planet z tego nie było. 😉 Uczestniczyłem także w niektórych obserwacjach w ramach programu.

No właśnie, co do tożsamości badanego obiektu. Tym co przykuło moją (i nie tylko moją) uwagę w publikacji, jest masa odkrytej planety. To nie jakiś pospolity gazowy olbrzym, lecz monstrum o masie 14-16 razy większej od naszego Jowisza! Tu jednak pojawia się wątpliwość, którą widziałem również w komentarzach czytelników: czy to aby na pewno planeta? Zgodnie z podręcznikową wiedzą, co do zasady obiekty powyżej 13 mas Jowisza to już brązowe karły – nieudane gwiazdy. W definicji brązowych karłów jest jakiś haczyk, czy może dopuszcza się możliwość, że HIP 99770 b to nie planeta, lecz gwiezdny “niewypał”?

Faktycznie jest to masa spora, jak na planetę i faktycznie bardziej pasuje do książkowego brązowego karła. Problem w tym, że tak naprawdę nie mamy dobrej górnej granicy masy pomiędzy planetami i brązowymi karłami. Ta wartość około 13 mas Jowisza, podkreślam OKOŁO, wynika z naszej wiedzy o syntezie deuteru – źródła energii w brązowych karłach – która zależy od innych czynników (np. składu chemicznego). Wielu astronomów obecnie przychyla się ku rozróżnianiu planet od brązowych karłów na podstawie tego, w jaki sposób powstały. Karły miałyby powstawać w sposób bardziej “gwiazdowy”, przez zapadanie się chmury gazu i pyłu, zaś planety raczej na skutek niestabilności w dysku protoplanetarnym i ściąganiu materiału z dysku na jądro protoplanety. W przypadku HIP 99770b stosunek jej masy do masy gwiazdy, oraz odległość w jakiej znajdują się od siebie, bardzo mocno wskazują na “planetarny” scenariusz powstania.

Brązowe karły
Ilustracja planet, brązowych karłów i gwiazd ciągu głównego (oczywiście bez zachowania skali). Zgodnie z podręcznikową definicją, brązowe karły mieszczą się w masach od około 13 do 90 mas Jowisza, jednak znaczenie ma również ich geneza.

Czyli to jednak planeta, choć mocno przerośnięta.

Tak, jej masa jest tak naprawdę dosyć niespotykana. Planeta leży w tzw. “pustyni brązowych karłów”, czyli nie znamy wielu obiektów o zbliżonej masie, chociaż tych o masach nieco większych i nieco mniejszych zostało odkrytych całkiem sporo.

Czy poza rozmiarami planety, układ HIP 99770 czymś jeszcze zaskakuje?

Atmosfera planety prawdopodobnie zawiera parę wodną, być może także tlenek węgla. Dodatkowo sama gwiazda jest zmienną pulsującą typu delta Scuti (δ Sct), a obecność pulsacji pozwala na lepsze jej zbadanie.

Są to jakieś szczególne widoczne albo wyjątkowo regularne pulsacje? Czym różni się typ delta Scuti od np. cefeid?

Delta Scuti są mniejsze, lżejsze i mniej wyewoluowane (młodsze) od cefeid. Pulsują szybciej, z okresami rzędu minut i godzin, podczas gdy dla cefeid są to pojedyncze dni. Ale pod pewnymi względami są do siebie podobne, na przykład mechanizm wzbudzenia pulsacji jest zbliżony, a oba typy zmiennych wykorzystuje się do wyznaczania odległości, jako tzw. “świece standardowe”.

Pulsacje w gwiazdach działają trochę jak fale sejsmiczne w przypadku Ziemi. Penetrują wnętrze i pozwalają powiedzieć coś o budowie wewnętrznej. Jest cała, rozległa dziedzina astronomii zajmująca się tymi właśnie zagadnieniami – asterosejsmologia.

Nowa technika badań wkrótce pozwoli na kolejne odkrycia? Jakie są jej ograniczenia, dotyczące odległości albo rozmiarów obiektów? Może ona posłużyć do poszukiwań globów mniejszych niż gazowe olbrzymy?

Raczej nie, a przynajmniej nieprędko. Przede wszystkim musielibyśmy mieć super-precyzyjne pomiary ruchu własnego na przestrzeni kilkunastu-kilkudziesięciu lat. Te z Hipparcosa są niewystarczające. Aczkolwiek sama metoda obrazowania coraz bardziej zbliża się do możliwości robienia zdjęć planetom o masach Neptuna czy tzw. superziemiom. W niedalekiej przyszłości powinno być to osiągalne.

Krzysztof Hełminiak Subaru
Krzysztof z kopułą Teleskopu Subaru w tle.

W jakich projektach naukowych bierzesz lub w niedalekiej przyszłości weźmiesz udział? Współpracujesz wyłącznie z obserwatoriami naziemnymi, czy może zaangażujesz się w jakieś przedsięwzięcie z udziałem Kosmicznego Teleskopu Webba?

Co do samego Webba, to oczywiście przymierzałem się do niego, ale mój projekt, póki co, nie przeszedł. Uczestniczę natomiast w przygotowaniach do dwóch kolejnych misji: PLATO i Ariel. 

Większość mojej pracy skupia się wokół gwiazd podwójnych, w szczególności rozdzielonych układów zaćmieniowych.

Czym charakteryzują się takie układy?

Są to po prostu pary gwiazd, krążących wokół siebie po orbicie o szczęśliwym względem nas ustawieniu, tzn. z Ziemi widzimy tę orbitę “od brzegu”. Dzięki temu raz na jakiś czas jedna z gwiazd zasłania drugą, a potem ta druga tę pierwszą – to są właśnie zaćmienia.  Oczywiście dzieje się to regularnie, z okresem takim samym jak okres orbitalny. Mówimy tu o okresach rzędu kilku, kilkunastu dni. Im dłuższy okres, tym większa odległość gwiazd od siebie i mniejsza szansa na zaćmienia.

Od ponad 12 lat prowadzę duży projekt obserwacyjny, którego celem jest bardzo dokładne i precyzyjne opisanie kilkuset takich obiektów, żeby  wyłuskać te najrzadsze i najciekawsze, a później wykorzystać je do różnego rodzaju innych badań. Również do poszukiwania planet. Dużo danych obserwacyjnych pochodzi z satelity TESS, a wcześniej z misji Kepler i K2. Nie opuszczam też tematyki poszukiwania egzoplanet i innych towarzyszy metodą obrazowania, ale ponownie, skupiam się na gwiazdach podwójnych zaćmieniowych.

Krzysztof Hełminiak pozdrawia Kwantowo

Muszę zadać to pytanie: masz swój ulubiony świat poza Układem Słonecznym?

Hmm, myślę, że PH1b. To jest planeta w układzie poczwórnym, czyli można powiedzieć, że ma cztery “słońca”. Na dodatek tranzytująca, tzn. co jakiś czas nieco przesłania jedną ze swoich gwiazd. No i, co jest moim zdaniem najbardziej godne podkreślenia, została odkryta przez amatorów, przeglądających w swoich domach dane z satelity Kepler w ramach programu Planet Hunters, czyli PH. Stąd jej nazwa.

Czyli gdzieś tam mogą istnieć tetrasolarianie, trzeba uważać. 🙂 Dzięki za rozmowę!

Z Krzysztofem Hełminiakiem rozmawiał
Adam Adamczyk

Praca przy Teleskopie Horyzontu Zdarzeń – rozmowa z Maciejem Wielgusem Samobójstwo z kometą w tle. Tragiczny przypadek sekty Heaven’s Gate Życie pozaziemskie (nie) musi istnieć!