Astronomie v obrazech: Pátrání po obyvatelných světech

Keplerova observatoř byla stvořena přesně pro tento cíl – pozorování tzv. transitů. Transit (lat. přechod) u planetárních systémů nastává v případě, pokud před kotoučkem hvězdy proletí její planeta. Citlivé detektory pozorují, kolik světla k nám přichází z cizí hvězdy, a při transitu dojde k jemnému poklesu zářivého toku hvězdy zacloněním. Citlivost Keplera je obrovská: dá se přirovnat k tomu, o kolik se změní jas dálkových světel automobilu kilometry vzdáleného, pokud před nimi proletí moucha. Pozorovat jsme mohli jen soustavy, na které jsme se dívali “zboku”; při pohledu více “shora” bychom žádné transity nenapozorovali, protože z našeho pohledu k nim nedochází.

Běžný vesmírný dalekohled má zorné pole velmi malé - asi jako zrnko písko v dlani natažené směrem od těla v případě Hubbleova vesmírného dalekohledu. Kepler snímal oblasti odpovídající velikosti roztažené dlaně (10x10 stupňů), nebo plochy Velkého vozu. U všech hvězd čekal na jakákoliv jemná zachvění, která by mohla signalizovat transit. Jeho misí bylo za 3,5 let nasmímat více než 100 000 hvězd. Průměr zrcadla byl 1,4 metru, jedno z největších zrcadel vyslaných do vesmíru. S ním se tam také nacházela tehdy největší digitální kamera o celkovém rozišení 94,6 megapixelů.

Z oslabení jasu hvězdy během transitu lze vypočítat poloměr exoplanety - větší oslabení, větší poloměr. Doba mezi transity udává oběžnou dobu, odkud lze pomocí Keplerova zákona odvodit vzdálenost od hvězdy, a pomocí hvězdných modelů lze odhadnout také povrchovou teplotu, díky které lze posoudit pohostinnost pro život. Naopak, určení hmotnosti by bylo velmi obtížné, protože exoplaneta větší než Jupiter, co se týče velikosti, nemusí být nutně těžší než Jupiter, kvůli menší hustotě.

Abychom si byli jistí, že se jedná o exoplanetu, musí každá detekce poklesu v toku záření projít zdlouhavým výběrovým řízením. I přes skládání dat a další kalibrace je totiž důležité identifikovat falešné transity exoplanet. Velmi častým případem byly zákrytové dvojhvězdy – ve směru pozorování jejich kotoučky přes sebe přechází, a protože hvězda je mnohem rozměrnější než planeta, tak to vypadá, jako bychom právě spatřili superobří planetu. Scénářů může být několik druhů, stejný systém může také vypadat jinak z jiného úhlu pohledu. Může také dojít k tomu, že v pozadí snímku, na kterém pozorujeme cílovou hvězdu, je zákrytová dvojhvězda, jejíž změny jasnosti nám kontaminují pozorování. Následující diagram ukazuje výběr 5 častých případů pozorování, které se ukázaly jako neplatné. Obrázek vpravo dole ukazuje správnou detekci exoplanety.

Pokud hvězdný systém prošel tímto sítem, dostal název KOI (Kepler Object of Interest). Tato KOIs byla potom přerozdělena mezi tým vědců, kteří se zaměřili na: 1) rozdílnosti v lichých/sudých transitech, 2) test kvality zákrytu, 3) souhlas s modelem systému, 4) rozdíl v liché a sudé oběžné době, atd. Po otestování byla udělena známka od schválení (0), nejjednoznačnosti určení (1), až po selhání (2). Těchto vědeckých týmů bylo několik a každý pracoval na známkování exoplanet nezávisle.

K hledání také přispěla I široká veřejnost – asi 100 000 dobrovolníků se podílelo na projektu Planethunters.org, který ve zveřejněných datech z družice ukazoval světelné křivky, které bylo možné identifikovat jako transitové. Dodatečných několik desítek potenciálních kandidátů bylo tímto způsobem nalezeno. Detekování exoplanet si stále ještě můžete vyzkoušet, stránky jsou v provozu.

Výsledků mise je spousta, tady jsou některé z nich:

• Kepler 9 – první hvězdná soustava, která má více než jednu planetu, byla objevena po napozorování 156 000 hvězd za dobu 7 měsíců; teď už víme, že planet je více, poslední odhad jsou 3, kde ta nejbližší obíhá natolik blízko hvězdě, že jí na otočku stačí méně než 2 dny

• Kepler 11 – Slunci podobný žlutý trpaslík vzdálený asi 2000 světelných let, který drží v oběhu 6 planet; všechny rozměrnější než je naše Země, a až na jednu obíhají hvězdu těsněji než náš Merkur Slunce

• Naše Galaxie obsahuje nejméně tolik exoplanet, jako hvězd, tedy 100-400 miliard

• 9 exoplanet se nachází v ideální vzdálenosti, ve které může na povrchu existovat tekutá voda, a díky tomu i vhodné podmínky pro život

V histogramu* dole lze vidět, kolik planet bylo detekováno v určitém rozmezí hmotností. Planet menších než je naše Země bylo nalezeno asi 9%, nejvíce bylo planet v rozmezí 2-6x násobku hmotnosti, tedy približně hmotnosti Neptunu, skoro 50% všech exoplanet. Databáze dokonce obsahuje vzácné, supertěžké kolosy, které by převážily i náš Jupier. Toto je hlavní výsledek Keplerova letitého hledání. Článek shrnující hlavní poznatky mise Kepler můžete najít zde.

Po 9 letech intenzivní práce byl Kepler po vyčerpání paliva poslán do důchodu. Teď obíhá naši planetu v bezpečné vzdálenosti po objevení více než 2600 exoplanet. Deaktivace komunikace se uskutečnila na 388. výročí úmrtí J. Keplera, která proběhla příkazem “Good night” (angl. “Dobrou noc”) v roce 2018.

*Histogram je speciální typ visualizace dat. Říká nám v kompaktní formě informace o velkém množství dat. Každý sloupeček označuje nějaké rozmezí konkrétní vlastnosti daných objektů. Sloupeček je tím vyšší, čím víc objektů obsahuje. Každá exoplaneta má nějakou svoji velikost, kterou nemá žádná jiná. Pokud potřebujeme znát, kolik objektů je větších než naše Země a menších než Země, rozdělili bychom je všechny do 2 sloupečků. Podle tohoto kritéria jsme rozdělili data do 2 oblastí. Ale velikost může nabýt libovolného rozsahu hodnot, a byla by škoda je házet do jednoho nebo druhého pytle. Stejná škoda by byla, kdyby učitelé známkovali žáky buď jedničkou nebo pětkou. Je přece mnohem více úrovní vědění. A proto byly exoplanety rozděleny podle hmotnosti do více kategorií, kde každá je nějakým způsobem zajímavá pro analýzu.

Je tedy velmi důležité zvolit, nakolik rozmělníme vlastnost objektů v histogramu. Snad to lépe vystihne ukázka jiného histogramu. Histogram doporučuji po kliknutí zobrazit v dalším okně kvůli čitelnosti. Zde na 3 grafech vyrobených z uměle vygenerovaného datového souboru lze krásně vidět, že na rozmělnění záleží. Jde o dataset rozdělení výšek v populaci 25 000 lidí ze stránek Kaggle. Každý graf je vytvořený ze stejného množství informací, ale nejpřehlednější a nejčitelnější je ten uprostřed. Výšku jsme rozdělili jen do 2 oblastí nalevo, do 200 oblastí napravo (zbytečně moc), a logickou volbou je zde střední cesta 20 oblastí (binů).