Obce globy

MICHAŁ KUŹMIŃSKI: Niedawno sądziliśmy, że Układ Słoneczny jest wyjątkowy. Dziś wiemy, że większość gwiazd ma planety. To kolejny przewrót kopernikański w astronomii?

NIGEL MASON: Jak najbardziej.

Dotąd odkryliśmy przeszło 3,5 tys. planet pozasłonecznych, czyli egzoplanet. Co właściwie wiemy?

Liczba odkrywanych egzoplanet ciągle rośnie. Pierwszą odkrył Polak, Aleksander Wolszczan w latach 90. XX w. Wówczas istnienie planet pozasłonecznych było dyskusyjne, część badaczy sądziła, że do ich powstania potrzeba bardzo specyficznych warunków. Teraz wiemy, że wokół większości gwiazd wszechświata prawdopodobnie krążą dwa lub trzy ciała niebieskie. Klasyfikujemy je, posługując się analogią do Układu Słonecznego. Obserwujemy głównie tzw. superjowisze, czyli gazowe olbrzymy – z uwagi na rozmiar łatwiej je wykryć. Dlatego dziś badania koncentrują się na poprawieniu czułości instrumentów badawczych, by można było obserwować planety coraz mniejsze. Za pomocą kolejnej generacji teleskopów kosmicznych, jak PLATO [od Planetary Transits and Oscillations of Stars – red.] czy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który ma trafić na orbitę już niebawem, powinniśmy być w stanie zaobserwować planety rozmiarami zbliżone do Ziemi, których orbita mieści się w tzw. ekosferze gwiazdy – takiej odległości od gwiazdy, że dociera tam tyle ciepła, by na powierzchni planety mogła występować woda w stanie ciekłym. Takie planety są potencjalnie gościnniejsze dla występowania życia w formie, jaką znamy.

Bezpośrednio przez teleskop nie zobaczymy egzoplanet. Metodą ich tropienia jest tzw. tranzyt. Co pozwala stwierdzić?

To jedna z najczęściej stosowanych metod, acz nie jedyna. Obserwujemy zmiany emisji światła dochodzącego do nas od gwiazdy, gdy przed jej tarczą przechodzi planeta. Tak jak przy każdym zaćmieniu, im taka planeta bliższa gwieździe, tym większą ilość światła przysłania. Potrzebny jest do tego teleskop bardzo stabilny i czuły, zdolny obserwować bardzo niewielkie zmiany jasności. W przypadku obserwacji z powierzchni Ziemi trzeba wziąć poprawkę na oscylacje atmosfery, które mogą wywołać fałszywy sygnał. A więc najlepsze są do tego teleskopy kosmiczne.

Pomiaru tranzytu planety przed gwiazdą dokonuje się wielokrotnie – pozwala to zbadać orbitę, ustalić jej kształt i odległość planety od gwiazdy. Z tego powodu częściej obserwujemy dziś planety obiegające swoją gwiazdę raz na kilka dni, tygodni, najwyżej miesięcy. Bo gdy chce się badać planetę obiegającą gwiazdę raz na ziemski rok, trzeba obserwować ten sam wycinek nieba przez kilka lat. Gdy już uzyska się to, co nazywamy krzywą tranzytu, analiza jej kształtu mówi wiele o masie i rozmiarach planety. Jeśli mamy kilka planet na tej samej płaszczyźnie, jak w Układzie Słonecznym, zaobserwujemy różne krzywe, które pozwolą oszacować, ile ich jest. A znajomość rozmiaru i masy pozwala stwierdzić, czy mamy do czynienia z superjowiszem, którego gęstość jest relatywnie niska, czy z masywnym ciałem skalistym. W tym drugim przypadku planeta ma powierzchnię, są więc większe szanse, by było tam życie.

Ale do tego trzeba zbadać coś jeszcze: atmosferę.

To też możliwe przy pomocy badania tranzytu?

Tak. Patrzymy, co się dzieje, gdy planeta właśnie wyłania się zza gwiazdy albo się za nią chowa. Przez króciutki czas światło prześwieca wtedy przez jej atmosferę. Gdy poddamy je analizie spektroskopowej, linie widma absorpcyjnego pokażą, jakie pierwiastki i związki chemiczne wchodzą w skład tej atmosfery. A dodatkowo pomiar tego światła powie nam coś o jej temperaturze.

Co zawierają zbadane dotąd atmosfery?

Większość dotychczasowych badań dotyczy superjowiszy, bo mają wokół siebie grubą otoczkę atmosfery, mamy więc wiele światła do badania spektrum. Wykrywaliśmy wodę, metan, tlenek i dwutlenek węgla. Daje to nieco pojęcia, czy dana planeta składa się z gorących gazów, czy jest tam woda i w jakiej postaci itd. Następna generacja teleskopów kosmicznych będzie w stanie zebrać znacznie więcej danych na temat atmosfer. Pozwoli to spekulować, czy planeta jest potencjalnie zdolna do goszczenia życia, oraz wypatrywać biomarkerów.

Co to są biomarkery?

Cząsteczki pochodzenia biologicznego. Bo biologia wpływa na atmosferę. Weźmy przykład planety, co do której na pewno wiemy, że jest na niej życie – na razie znamy jedną. Trzy miliardy lat temu atmosfera Ziemi zaczęła się zmieniać z metanowej na tlenową, a to za sprawą pojawienia się fotosyntetyzujących bakterii, które zaczęły absorbować energię słoneczną i wytwarzać tlen. Jeśli znajdziemy egzoplanetę z atmosferą obfitą w tlen, będzie on właśnie biomarkerem.

A gdyby istniały tam formy życia niekoniecznie związane z tlenem?

Nie wiemy, jak by działały, więc nie potrafilibyśmy stwierdzić, co w ich przypadku byłoby biomarkerem. Problem w tym, że jesteśmy związani jedynymi przykładami, którymi dysponujemy, czyli formami życia znanymi z Ziemi.

A z Ziemi znamy np. metanogeny, które czerpią energię z oddychania beztlenowego, korzystając z metanu. Takie były pierwsze organizmy we wczesnej historii życia na naszej planecie. Nawiasem mówiąc, trwa właśnie wielka dyskusja wokół emisji metanu obserwowanego na Marsie. Otóż metan w atmosferze bardzo szybko rozpada się pod wpływem światła gwiazdy. Więc gdy go w niej obserwujemy, znaczy to, że coś go musi do niej wciąż dostarczać. I choć znamy procesy geologiczne, w których powstaje metan, to jest też możliwość, że marsjański metan pochodzi od form życia, które przeżyły głęboko pod powierzchnią dawnych oceanów tej planety. Dlatego część badaczy uważa go za biomarker.

Istnieją też inne potencjalne biomarkery, jak formaldehyd. Problem w tym, że w atmosferze występują one w bardzo małych stężeniach, bardzo więc trudno je wykryć nawet na Marsie, a wykrycie ich na egzoplanecie wykracza poza nasze dzisiejsze możliwości.

Co zobaczylibyśmy na powierzchni tamtych światów?

Nie mamy dziś wystarczających danych o żadnej egzoplanecie, by z pewnością wnioskować, jak może wyglądać jej powierzchnia. Byliśmy dotąd przekonani, że z grubsza wiemy, jak wygląda powierzchnia Plutona czy księżyców Saturna, ale gdy tam dotarliśmy, okazało się, że sprawy miały się inaczej. Nie jesteśmy najlepsi w przewidywaniu takich rzeczy. Ale na pewno każda z tych planet wygląda inaczej. Bardzo mało prawdopodobne, byśmy znaleźli dwie podobne. Choćby dlatego, że planety się zmieniają. Ziemia także: dzisiejsze kontynenty miliony lat temu były jednym wielkim lądem.

Odważamy się spekulować o wyglądzie ewentualnych tamtejszych form życia?

Wielu badaczy wierzy – i dziś to niewiele więcej niż tylko wiara – że jeśli istniałaby druga Ziemia z życiem opartym na tlenie, to generalnie byłoby podobne do naszego: ale np. to, jaki kolor miałyby tamtejsze rośliny, zależałoby już od składu atmosfery. Rośliny ziemskie wyewoluowały jako zielone, bo to na naszej planecie najskuteczniejszy sposób odbijania części widma słonecznego – ze względu na warstwę ozonową, określone ilości tlenu i pary wodnej itd. Tam rośliny mogłyby być choćby fioletowe. Podobnie ludzkie oko jest najbardziej wyczulone na kolor żółty, bo taki jest kolor światła słonecznego. Światło tamtejszej gwiazdy mogłoby być inne. Ale możemy tylko zgadywać.

W naszym układzie wokół średniej wielkości gwiazdy po wewnętrznych orbitach krążą mniejsze planety, a po zewnętrznych – gazowe i lodowe olbrzymy. Jakich innych systemów możemy się spodziewać w kosmosie? Podwójnych planet? Podwójnych słońc?

Istnieją przykłady interpretowane jako układy dwóch planet krążących wspólnie blisko siebie. Ale bardziej prawdopodobne, że na jakimś etapie takie planety zderzą się i utworzą jedną. W każdym razie stabilny układ dwóch planet jest absolutnie możliwy z punktu widzenia praw fizyki, choć pewnie nieczęsto się zdarza – acz niedawno nie spodziewaliśmy się zaobserwować gwiazd podwójnych, a dziś znamy ich wiele. We wszechświecie możliwych jest tyle kombinacji, że właściwie wszystko, co sobie wyobrazisz, pewnie gdzieś istnieje. Co ciekawe, science fiction na takie pomysły, jak podwójne gwiazdy czy planety, już dawno wpadła.

Planeta Tatooine z „Gwiezdnych wojen” ma dwa słońca. Zapewne wymyślono ją tak, żeby dać nam poczucie dziwności, obcości. A okazało się, że gwiazdy podwójne są w kosmosie dość powszechne.

W rzeczy samej. Co więcej, do wykrywania planet pozasłonecznych posłużyły te same techniki, z których korzystano w poszukiwaniu układów gwiazd podwójnych. A one mogą mieć bardzo interesujący zestaw krążących wokół nich planet. Możliwe są planety okrążające jedną z takich gwiazd, ale też takie, które po skomplikowanej orbicie krążyłyby wokół obu.

Kopernikański przewrót związany z odkrywaniem egzoplanet dotyczy też tego, że jeszcze niedawno wątpiono w życie poza Ziemią, dziś się to zmienia. Na ile powszechne wśród naukowców jest przekonanie, że ono istnieje?

Dobre pytanie. Tzw. równanie Drake’a pozwala obliczyć prawdopodobieństwo istnienia planet, na których istnieje życie. W zależności od przypadku planety, który podstawi się do równania, wynosi ono niemal zero – brak życia, lub niemal jeden – niemal pewne istnienie. Przy takim rozstrzale można właściwie założyć cokolwiek. Prawie jak w ekonomii.

Ale istnieje sporo dowodów na to, że życie jest bardziej prawdopodobne niż jego brak. Wiążą się z pytaniem o chemię życia: o to, skąd biorą się złożone cząsteczki, które następnie łączą się, tworząc DNA, komórki, życie. Jeszcze w latach 70. większość astronomów uważała, że takie cząsteczki nie mogą powstawać w kosmosie, bo jest on zbyt zimny i zbyt pusty. Tymczasem dziś w ośrodku międzygwiazdowym odkrywamy ich mnóstwo.

Jest tam coś więcej niż samotne atomy wodoru i helu?

Tak. Od bardzo prostych, dwuatomowych cząsteczek, po łańcuchowe, wieloatomowe węglowodory, kwas octowy czy mrówkowy. Wszystkie one są częścią naturalnego procesu formowania się gwiazd i planet. W Układzie Słonecznym nie ma niczego szczególnego. To odkrycie jest właśnie jednym z wielkich przełomów ostatniej dekady: skomplikowane związki chemiczne znajdujemy jak wszechświat długi i szeroki, a co więcej, w różnych jego rejonach znajdujemy takie same cząsteczki. A więc prawa chemii, tak jak fizyki, są uniwersalne. Z tego powodu pogląd, że cząsteczki budulcowe dla życia mogą się pojawić w kosmosie, jest dziś powszechnie podzielany.

Nie wiemy natomiast, w jaki sposób te cząsteczki łączą się w bardziej skomplikowane struktury dające początek życiu, jak DNA i komórki. Sądzę, że kiedy się dowiemy – nie „jeśli”, lecz „kiedy”, bo jestem przekonany, że nastąpi to w następnych kilku dekadach – być może wykrzykniemy: „O Boże, jakie to oczywiste!”. Może się okazać, że warunki potrzebne do zajścia tego procesu występują na większości planet. Wszystkie dowody wskazują, że życie jest naprawdę żywotne. Od uformowania się Ziemi do powstania życia minął najwyżej miliard lat. To szybko. A skoro na Ziemi znajdujemy życie we wnętrzu reaktorów atomowych, w gorących i kwasowych jeziorach, to dlaczego nie mogłoby się rozwinąć w podobnych warunkach na innej planecie?

Ale od żywej komórki do życia inteligentnego jeszcze daleko...

Na pytanie, jak z pierwszych komórek, pierwszych mikrobakterii, powstały organizmy wielokomórkowe, też nie znamy jednoznacznej odpowiedzi. Czy zakres potrzebnych do tego warunków jest bardzo wąski, czy przeciwnie: gdy już życie powstanie, nieuchronnie wyewoluują zeń organizmy wielokomórkowe? Uważam, że kroki, które doprowadziły do powstania ludzi, opierały się na jakichś interesujących fluktuacjach statystycznych, z których najczęściej przywoływaną była zagłada dinozaurów. Gdyby nie uderzenie asteroidy, które zmiotło je z powierzchni Ziemi, ssaki nie zdobyłyby przewagi, nie wyewoluowałyby naczelne i człowiek. Planeta wciąż zdominowana byłaby przez dinozaury, których mózgi być może nie zdołałyby wyewoluować do tego stopnia, żeby dziś dyskutowały one o tym wszystkim, w dodatku przez telefon.

Jakiego wielkiego przełomu życzy Pan sobie w następnej kolejności?

Są trzy takie: pierwszym będzie to, czego się dowiemy o atmosferach egzoplanet, skatalogujemy to, porównamy podobne planety na różnych etapach ich życia. Okaże się wtedy, czy atmosfery te ewoluują w jakimś cyklu i czy istnieje jakiś standardowy wzorzec rozwoju planetarnej chemii. Drugim przewrotem będzie odkrycie, jak łączą się tworzące życie cząsteczki. Otrzymanie w laboratoriach samoreplikujących się prostych komórek i prostych form życia. Trzeci przełom zaś prawdopodobnie nastąpi w naszym własnym Układzie Słonecznym, gdy odkryjemy składniki życia na Marsie, albo w oceanicznym świecie księżyców Jowisza: Europy bądź Ganimedesa, gdzie wysłana ma być niebawem europejska misja JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer). To będzie bliżej domu, więc jeśli odkryjemy tam ślady życia, będziemy mogli po prostu tam polecieć i się mu przyjrzeć.

Czy z wszystkich tych badań możemy skorzystać na Ziemi?

Badania kosmiczne zawsze przynoszą korzyści technologii. Tu przyglądamy się bardzo, bardzo wątłym sygnałom za pomocą bardzo, bardzo małych, czułych i energooszczędnych instrumentów – takich, by nadawały się np. do wysłania na Marsa. I jest dla nich mnóstwo zastosowań na Ziemi. Już dziś służą np. do wykrywania śladów gruźlicy w oddechu pacjenta, wykrywania narkotyków czy środków wybuchowych, a nawet pluskiew w pokojach hotelowych. Albo w przypadku badań spektroskopowych: jeśli potrafimy zmierzyć stężenie cząsteczek w atmosferze planety pozasłonecznej, to ile możemy zbadać w ziemskiej! Np. wykrywać bardzo drobne zmiany mogące nam wiele powiedzieć o zmianach klimatu czy zanieczyszczeniu. Wreszcie – dane. Moc obliczeniowa i analityczna narzędzi potrzebnych do badań kosmicznych służy też przetwarzaniu big data, od zakupów przez internet po ludzkie zachowania.

Musimy o tym pamiętać: koszty badań kosmicznych są maleńkie w porównaniu z zyskami osiąganymi za sprawą kosmicznych technologii w przemyśle, wytwórstwie, służbie zdrowia. Ale technologie te powstają dzięki pragnieniu badania naszego Układu Słonecznego i naszego wszechświata. ©℗

Prof. NIGEL MASON jest astrochemikiem, pracuje na brytyjskim Open University. Koordynator naukowy konsorcjum Europlanet zrzeszającego ponad 60 ośrodków badawczych zajmujących się astronautyką i badaniami planet, również pozasłonecznych.