Objev exoplanety v blízkosti obyvatelné zóny červeného trpaslíka Ross 508

Červení trpaslíci jsou nejmenší a nejchladnější hvězdy hlavní posloupnosti. Patří do spektrálních tříd K a M, mají hmotnost v intervalu od 0,08 hmotnosti Slunce do asi 0,6 hmotnosti naší mateřské hvězdy a jejich teplota se pohybuje v rozmezí 2 300 až 5 000 kelvinů. Jedná se o úplně nejčastější hvězdy, až tři čtvrtiny všech hvězd v naší Galaxii jsou právě červení trpaslíci. 

Od našeho Slunce se červení trpaslíci diametrálně odlišují a není tak vůbec jisté, zdali se v planetárních systémech u takovýchto hvězd mohou nacházet světy s podmínkami vhodnými pro život. Systém Ross 508 se ale nachází relativně blízko ke Sluneční soustavě, méně než čtyři desítky světelných let daleko. To vědcům umožní detailně zanalyzovat atmosféru a povrchové vrstvy této planety a posune vědce ve zkoumání možné přítomnosti života u málo hmotných hvězd zase o krok dále.

Výzkum planetárních systémů u červených trpaslíků je ale velmi obtížný z důvodu, že se jedná – kvůli nízké povrchové teplotě – o velmi slabé hvězdy ve viditelné části spektra. I Slunci nejbližší hvězda, Proxima Centauri, která se nachází pouhých 4,2 světelných let od Slunce, má vizuální magnitudu 11,05. Je tudíž asi dvaačtyřicetkrát slabší než ty nejslabší lidským okem pozorovatelné hvězdy. Předchozí pozorování spektrometry pracujícími ve viditelném světle tak odhalilo jen 3 planety u zmíněné Proxima Centauri. U jiných takto velmi málo hmotných hvězd planety doposud objeveny nebyly. V případě červených trpaslíků pozdního typu (s teplotou pod 3000 stupňů) dosud nebyly žádné exoplanety nijak systematicky hledány.

Pokud se ale přesuneme do infračervené oblasti spektra, můžeme červené trpaslíky pozorovat o mnoho jednodušeji. Například nejjasnější z červených trpaslíků pozdního typu mají ve viditelném oboru jasnost kolem 19 magnitud, zatímco v infračerveném přibližně 11 magnitud. Doposud ale vysoce přesné infračervené spektrografy nebyly příliš používány pro hledání planet. To se změnilo, když japonské Astrobiologické centrum úspěšně vyvinulo vysoce přesný spektrograf pro teleskopy s průměrem primárního zrcadla okolo osmi metrů. Ten dokáže detekovat výkyvy v rychlosti hvězdy o hodnotě rychlosti lidské chůze.

Pro detekci exoplanet je výhodné využívat právě spektrografy. Ty pořídí velmi detailní spektra hvězd, ze kterých můžeme pomocí takzvané Dopplerovy metody zjistit přítomnost exoplanet. Dopplerova metoda se zakládá na tom, že pokud kolem dané hvězdy obíhá planeta, nenachází se těžiště hvězdy v jejím středu, nýbrž mimo něj. Stejně jako planeta obíhá kolem těžiště soustavy i hvězda, a i když je to velmi malý pohyb, jelikož u systémů s jednou stálicí se těžiště nachází v těsné blízkosti hvězdy a někdy přímo v jejích útrobách. I tento malý pohyb má ale za následek, že se k nám hvězda přibližuje a vzdaluje. To způsobí, že spektrální čáry prvků jsou mírně posunuty buď k modrému konci spektra (při přibližování), nebo k červenému (při vzdalování). Z této odchylky pak můžeme spočítat základní údaje o dané planetě, jako je vzdálenost od hvězdy, hmotnost či doba oběhu. Dopplerova metoda je tak výhodnější než metoda tranzitní, která se zakládá na poklesu jasnosti hvězdy způsobeném přechodem planety přes její disk. Ta je totiž aplikovatelná pouze v případě, že exoplaneta svoji mateřskou stálici obíhá v rovině, ve které hvězdu pozorujeme. Dopplerova metoda je použitelná nezávisle na orientaci roviny oběžné dráhy planety.

Spektrograf IRD začal jako první v rámci programu IRD-SSP (Subaru Strategic Program) systematicky hledat planety u červených trpaslíků v roce 2019. V průběhu prvních dvou let byl výzkum zaměřen na hledání málo aktivních, stabilních hvězd tohoto typu, u nichž mohou být detekovány i malé planety. Běžně totiž červení trpaslíci vynikají vysokou povrchovou aktivitou, jako jsou erupce. To může způsobit změny v rychlosti hvězdy, aniž by se u ní nějaká planeta vyskytovala. Kvůli tomu jsou vhodnými kandidáty pro hledání malých planet zemského typu jen stabilní červení trpaslíci.

V současné době již probíhá detailní pozorování zhruba 50 slibných červených trpaslíků, pozorně vybraných v rámci první části výzkumného programu. A nyní přišel první úspěch. Byla objevena výše zmíněná exoplaneta Ross 508b u 37 světelných let vzdálené hvězdy Ross 508, jež dosahuje jedné pětiny hmotnosti Slunce. Jedná se o první exoplanetu objevenou systematickým výzkumem s infračerveným spektrometrem. 

Aby mohli vědci potvrdit, že odchylky v pohybu Ross 508 jsou způsobené planetou, museli zkoumat i samotnou hvězdu, aby vyloučili, že se nejedná o tzv. falešnou pozitivitu, kde změny v rychlosti způsobuje aktivita dané stálice. Zaměřili se tak například i na změny jasnosti a tvar některých emisních čar ve spektru Ross 508. Ukázalo se ale, že perioda těchto jevů je zřetelně odlišná od periody změn rychlosti. Tím se potvrdilo, že je u této hvězdy doopravdy přítomna exoplaneta.

Objevená planeta má hmotnost minimálně čtyřnásobnou oproti Zemi. Kolem své hvězdy obíhá v průměrné vzdálenosti 0,05 astronomické jednotky (průměrné vzdálenosti Země od Slunce), tedy v blízkosti vnitřního okraje obyvatelné zóny v systému Ross 508. Zajímavé je, že dráha planety je poměrně eliptická, díky čemuž planeta prochází obyvatelnou zónou každých jedenáct dní.

„Ross 508b je prvním případem detekce exoplanety za užití pouze blízké infračervené spektroskopie. Doposud nebyla samotná pozorování v tomto oboru dostatečně přesná a bylo vždy potřeba potvrdit změny rychlosti hvězdy vysoce přesným pozorováním ve viditelném oboru. Tato studie ukázala, že IRD-SSP je sám schopen detekce planet a jasně demonstruje schopnost tohoto programu hledat exoplanety u červených trpaslíků pozdního typu, kteří jsou příliš slabí na to, aby byli pozorováni ve viditelném světle,“ řekl Dr. Hiroki Harakawa, vedoucí autor studie.

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] phys.org