Na pragu razkrivanja lastnosti kamnitih planetov

Michaël Gillon je resda začel študirati nekoliko pozneje, kot je običajno, šele pri 24 letih, vendar je dobro vedel, kaj hoče – in to je očitno počel z vojaško disciplino. Zmeraj ga je zanimalo, ali obstaja življenje še kje drugje v vesolju. Zdaj se s tem ukvarja tudi znanstveno, in kot dokazuje prestižna Balzanova nagrada, zelo uspešno.

Leta 1974 rojeni Gillon je v domačem mestu, v Liègeu, študiral biologijo, biokemijo, fiziko in astrofiziko. Tam se je leta 2002 vpisal na doktorski študij in se posvetil predvsem vesoljski misiji COROT (Convection, Rotation and Planetary Transit), organizirani v sodelovanju evropske vesoljske agencije Esa in več evropskih držav.

Misija je imela dva glavna znanstvena cilja: proučevati notranjo strukturo zvezd in iskati planete zunaj našega osončja, torej ekstrasolarne planete ali eksoplanete. Gillon je bil najprej pristojen za spektroskopsko analizo zvezd, vendar so ga bolj zanimali eksoplaneti, ki se jim je kmalu popolnoma posvetil. To je bilo samo približno deset let po odkritju prvih eksoplanetov okoli pulzarjev in sedem let po tem, ko sta Michel Mayor in Didier Queloz leta 1995 odkrila prvi eksoplanet v orbiti zvezde, podobne Soncu, in ga poimenovala 51 Pegasi b. Odkritje velja za enega pomembnejših mejnikov v zgodovini astronomije. Mayor je zato poleg drugih priznanj leta 2000 prejel tudi Balzanovo nagrado. Za leto 2017 so to nagrado, vredno 750.000 švicarskih frankov, podelili Gillonu.

Medtem so odkrili več kot tri tisoč eksoplanetov. Gillon velja za zelo ustvarjalnega znanstvenika, in to ne samo pri odkrivanju eksoplanetov, ampak tudi pri razumevanju takšnih svetov in ugotavljanju njihovih lastnosti. Še posebno ga zanimajo planeti, ki potujejo po orbitah okoli manjših zvezd in so po velikosti in sestavi podobni Zemlji. Med srečanjem v Bernu nam je opisal, kako skupaj s svojo skupino odkriva takšne planete in ugotavlja njihove lastnosti. Z njim smo se pogovarjali nekaj ur pred podelitvijo Balzanove nagrade.

Na voljo imamo vse močnejše teleskope, vendar pravite, da eksoplanetov ne morete neposredno videti niti takrat, kadar se pomikajo pred zvezdami, okoli katerih potujejo.

Res je.

Zaznavate jih posredno, ko ugotavljate, da se spreminja svetlobno sevanje zvezde, ko se planet premika med njo in skupino, ki ga opazuje. Kako zaznavate eksoplanete, kadar so za zvezdo?

Z dovolj natančnimi instrumenti je mogoče meriti izginotje svetlobe planetov med okultacijo, ko zaide za zvezdo. Ne moremo razločiti svetlobe, ki jo odsevata ti telesi, toda ko nekaj izgine z obzorja, to zaznamo, kadar merimo razvoj ravni svetlosti oziroma svetlobe, ki prihaja od njih. Takrat izgine majhen prispevek planeta k skupni svetlosti sistema. Takšen negativen razvoj svetlosti planeta nam pokaže, da planeta ni več tam, kjer je bil. To počnemo že dolgo za velikanske planete in tiste, ki jim pravimo superzemlje. Seveda tako lahko merimo tudi obhodne dobe planetov in ugotovimo, kako dolgo je njihovo »leto«. Na podlagi teh podatkov lahko rekonstruiramo obliko njihove orbite. Če naredi popoln krog, bo obdobje premikanja pred zvezdo enako dolgo kot obdobje, kadar se premika za njo.

Koliko orbitalnih ciklov potrebujete, da se prepričate o tem?

Običajno zadostujejo trije ali štirje. Seveda obstajajo variacije v orbitalnem gibanju eksoplanetov, tako kot v našem osončju. V tem imamo sedem planetov, ki takrat, kadar so blizu drug drugega, vplivajo drug na drugega. Prehodi planetov okoli zvezd se včasih zgodijo nekoliko prej oziroma pozneje kakor ponavadi. Z merjenjem takšnih odklonov oziroma sprememb pravilnega gibanja lahko ugotovimo, kolikšna je masa nekaterih planetov. Čim večji je planet, tem bolj vpliva na orbito manjših planetov. Z modeliranjem takšnih sistemov ugotavljamo, kolikšna je masa posameznih planetov in kakšno gostoto imajo, torej ugotavljamo, ali so kamniti ali ne.

Kaj še lahko zaznavate in merite na takšnih razdaljah, velikih nekaj deset svetlobnih let?

Čim bolje moramo razumeti fiziko svetlobe, ki prihaja od tam. S spektroskopsko analizo lahko odkrivamo lastnosti planetov. Kadar se planet premika, del svetlobe zvezde prehaja skozi atmosfero planeta in se filtrira. Vidimo lahko širjenje te svetlobe in učinke filtriranja, tako da lahko ugotavljamo, kakšne so molekule v atmosferi planeta, morda molekule kisika ali nekega drugega elementa. Spekter planeta je ogledalo njegove površine. Med okultacijami merimo izpuste, ki izginjajo. Tudi s takšnimi negativnimi meritvami lahko odkrivamo molekule in celo prepoznavamo strukturo atmosfere eksoplanetov. Poleg tega planet, ki se premika, opazujemo iz različnih zornih kotov. To razkriva njegova modulacija svetlobe. Z merjenjem takšne modulacije lahko ugotavljamo, kakšni so videti posamezni deli površine tega planeta.

Kakor kopno in oceani na Zemlji?

Na podlagi razporeditve svetlobe lahko izdelamo približen enorazsežen podolžen zemljevid planeta ter odkrijemo svetlejše in temnejše dele. Seveda je to mogoče samo pri večjih eksoplanetih. Vidimo lahko, denimo, ali je prva, dnevna stran planeta precej toplejša od druge, nočne strani. Tako lahko ugotovimo, ali ima atmosfero. Skratka, veliko podatkov pridobivamo z merjenjem svetlobe sistema.

Kako dobre so »oči«, ki jih imate na zemeljskih in vesoljskih teleskopih?

Za zaznavo planeta potrebujemo natančnost 1 : 1000, torej potrebujemo takšno relativno natančnost pri proučevanju sprememb v svetlosti sistema. Če bi radi proučevali podrobnejše lastnosti, denimo atmosfero planeta, nujno potrebujemo stokrat večjo natančnost, torej 1 : 100.000. To je skrajen tehnični izziv, potrebujemo zelo velik in zelo stabilen teleskop. Zato pričakujemo, da bo teleskop James Webb, skupni projekt Nase in Ese, ki bo začel delovati leta 2019, velik korak naprej. To bo do zdaj največji vesoljski teleskop s premerom 6,5 metra. Mnogi ga imajo za naslednika Hubbla, vendar se bosta pravzaprav dopolnjevala. Deloval bo v infrardečem delu spektra, to je območje, v katerem so »podpisi« različnih molekul eksoplanetov. Teleskop bo v heliocentrični orbiti, daleč stran od Zemlje in zaščiten pred sevanjem Sonca. To bo zelo stabilen teleskop z že omenjeno natančnostjo 1 : 100.000 in bo idealen za atmosferske meritve.

Kako vam koristi zmogljiva oprema na Zemlji?

Na Zemlji trenutno nimamo podobno zmogljivega teleskopa, vendar pripravljamo evropski ELT (Extremely Large Telescope) in še dva, ki ju podpirajo predvsem ZDA: TMT (Thirty Meter Telescope) in GMT (Giant Magellan Telescope). ELT in GMT bosta na južni polobli, v Čilu, TMT pa na severni, na Havajih. Tako bomo lahko gledali na vse strani neba. Delovali bodo v vidnem delu spektra, ne v infrardečem, uporabljali jih bomo tudi za razumevanje nekaterih atmosferskih lastnosti eksoplanetov. Vsi bodo skupaj s teleskopom James Webb dopolnjevali drug drugega in nam bodo prinašali kakovostnejše podatke.

Koliko eksoplanetov ste odkrili s svojimi sodelavci?

Sodeloval sem pri odkritju več kot stotih. Na območju približno 50 svetlobnih let od Zemlje so do zdaj odkrili približno 15 planetov, ki potujejo okoli zvezd. Vodil sem skupino, ki je odkrila 11 takšnih planetov. Moja skupina v Liègeu tesno sodeluje s skupinami v Cambridgeu, Ženevi in Bernu. Naša znanost je globalizirana, medsebojno dopolnjevanje in sodelovanje sta pomembnejši od tekmovalnosti. Smo na začetku obdobja proučevanja fizičnih lastnosti oddaljenih kamnitih planetov, njihovega vulkanizma, geoloških dejavnosti, učinka tople grede, obstoja lun okoli njih …

Kaj je najbolj vplivalo na vašo »raketno« znanstveno pot?

Močna navdušenost nad njo in to, da sem se ji popolnoma posvetil. Ko sem bil v vojski, sem požiral poljudnoznanstvene knjige, in se nato odločil, da bom poskusil študirati to, kar me je zelo zanimalo. Nisem si takoj predstavljal, da bom postal pomemben znanstvenik. Sprva sem se hotel samo učiti. Bil sem nadvse radoveden. Čim bolj sem se učil, tem raje sem imel znanost. Nato sem dobil priložnost za doktorat iz astrofizike. To so bile prve meritve atmosfere eksoplanetov, kar me je zelo pritegnilo. Na podoktorskem študiju sem odšel na ženevski observatorij, enega vodilnih za eksoplanete. Tam sem se veliko naučil in se znašel na prvi bojni črti na tem področju. Vse je povezano z navdušenostjo in delom, pa tudi s priložnostmi, ki jih dobite. Toda vedno se morate zavedati, da je znanost raziskovanje teme. Nikoli ne veste, kaj boste odkrili.

V vašem primeru je tudi dobesedno tako.

Nekateri znanstveniki nenehno odkrivajo negativne rezultate. Dolgo iščejo nekaj in nazadnje ugotovijo, da tega ne morejo najti. Tudi to je znanost. Povedati moram, da smo v Evropi v zelo dobrem položaju, saj imamo na voljo sredstva evropskega raziskovalnega sveta, ki jih odobrijo tudi za zelo tvegane programe znanstvenih raziskav. Nad financiranjem se ne morem pritoževati. Tudi sredstva Balzanove nagrade bodo pomagala širiti naše raziskave.