Světlo z hloubi vesmíru

Hvězdáři z Ondřejova objevili hnědého trpaslíka ve vzdálené soustavě v souhvězdí Raka; tuto zprávu sdělila média minulý měsíc. Rozhovor s objeviteli.

Není to tak dávno, kdy jsme se pouze domnívali, že kolem vzdálených hvězd také obíhají planety. Zdá se neuvěřitelné, že během necelých dvaceti let se takové planety (říká se jim exoplanety) nejen potvrdily, ale známe jich již tisíce. Do širšího povědomí již vstoupily výsledky práce vesmírné sondy Kepler, s asi dvěma tisíci zářezy na pažbě. V roce 2018 ji vystřídala sonda TESS. Není to však tak, že sonda ve finále předá hotový seznam exoplanet se všemi jejich parametry. Pozemským observatořím se dostane pouze seznam podezřelých hvězd, každou z nich je třeba řádně prolustrovat a prověřit, zda je její podivné chování opravdu způsobené oběhem jedné čí více exoplanet.

Pro některá pozorování musíme sáhnout po nejmodernějších přístrojích umístěných v lokalitách s minimálními rušivými vlivy atmosféry. Jindy stačí skromnější dalekohled v méně vhodném prostředí, zato však s fundovanou obsluhou, která nedělá svou práci pro peníze a zjistí něco, s čím jsme nepočítali. Vypravíme se do Ondřejova k našemu největšímu dalekohledu o průměru dva metry a zeptáme se přímo objevitelů hnědého trpaslíka v systému TOI - 503, Petra Kabátha a Jána Šubjaka, jak se dělá opravdová věda.

Jak vlastně funguje sonda TESS?

Petr Kabáth: TESS měří jasnost hvězdy v čase, a pokud přes hvězdný disk přechází planeta, tak jej zakrývá a je pozorován pokles jasnosti, jehož hloubka závisí na parametrech planety a hvězdy.

Proč tohle nestačí, abychom mohli rovnou prohlásit, že se jedná o planetu?

Petr Kabáth: Kandidáty na exoplanetu je třeba potvrdit pozemním pozorováním, protože se může jednat například o dvě hvězdy, případně o systém, kde je v pozadí nerozlišená dvojhvězda ovlivňující zachycený signál atd. a právě pozemní pozorování tyto případy umí vyloučit. My tedy pracujeme se seznamem kandidátů z mise TESS, o nichž se domníváme, že jsou zajímaví a je třeba je potvrdit nebo vyvrátit. Tedy až po tento krok nevíme, co přesně se z daného objektu vyklube.

Podle čeho si vybíráte kandidáty? Máte nějaké kritérium?

Petr Kabáth: Perkův dalekohled má průměr zrcadla 2 metry a jsme samozřejmě omezeni pozorovacími podmínkami a přesností přístroje. Proto vybíráme z kandidátů, kteří by mohli být plynnými planetami nebo právě hnědými trpaslíky, protože to náš dalekohled může změřit velice přesně. A poté samozřejmě prověřujeme z tohoto našeho seznamu jeden za druhým.

Plynné planety známe i z naší Sluneční soustavy. Jsou to třeba obři jako Jupiter a Saturn. Teď padl termín hnědý trpaslík. Oč se jedná? Prý je to jakýsi přechod mezi planetou a hvězdou, je to tak hmotné těleso, že už samo vyzařuje energii?

Petr Kabáth: Pojem hnědý trpaslík není úplné přesně definován, protože hranice hmotnosti mezi planetami a hvězdami není jasně daná, ale zhruba od 13ti až 60-80ti násobku hmotností Jupiteru. Z našeho měření nemáte šanci poznat, zda trpaslík sám září, ale můžete kombinací fotometrie a spektroskopie změřit jeho hmotnost, rozměry a tím i hustotu.

Jak můžete určit hmotnost planety?

Petr Kabáth: Perkův dalekohled má instalován spektrograf. Ze spektrálních čar a jejich pohybu lze vypočítat rychlost, jakou se k nám a od nás hvězda vzdaluje a přibližuje, takzvanou radiální rychlost. Tento pohyb hvězdy vzniká v důsledku obíhajícího tělesa a velikost této rychlosti závisí na parametrech tohoto krytého souputníka, například na jeho hmotnosti. Lze si to představit tak, že kdyby hvězda byla sama, pouze by se otáčela kolem vlastní osy, ale pokud u hvězdy existuje ještě další těleso, hvězda i se souputníkem obíhá kolem společného těžiště, které je mimo střed hvězdy, a tím pádem můžeme pozorovat, jak se k nám přibližuje nebo se vzdaluje. Pokud kolem hvězdy obíhá planeta, radiální rychlosti hvězdy se pohybují v řádech desítek metrů za sekundu a pokud je to hnědý trpaslík, pak je to v řádech jednotek kilometrů za sekundu.

Potvrzených či vyvrácených kandidátů na exoplanety jsou jistě mraky. Čím jsou Vaše zjištění výjimečná?

Ján Šubjak: Systém je z pohľadu populácie hnedých trpaslíkov veľmi zaujímavý, pretože sa nachádza v Brown Dwarf Desert, kde nie je veľa podobných objektov (aj keď sa v poslednom období začína mierne zapĺňať, čo môže viesť k posunu jej hraníc a k zmenšeniu). Je to pre nás najzaujímavejšia oblasť pre pochopenie celej populácie hnedých trpaslíkov.

Brown Dwarf Desert je rozpětí vzdáleností od hvězdy, ve kterých se exoplanety typu hnědého trpaslíka vyskytují jen výjimečně. Zatím není znám důvod, proč tyto oblasti vznikají. Je možné, že ve skutečnosti neexistují a jde pouze o výběrový efekt způsobený metodikou pozorování. (pozn. red.)

Taktiež skutočnosť, že sa nachádza v systéme s Am hviezdou, robí tento objav výnimočný, pretože je to vôbec prvý pozorovaný hnedý trpaslík v okolí tejto hviezdy.

Co znamená pojem Am hvězda?

Ján Šubjak: Je to špeciálny typ hviezdy spektrálneho typu A. Charakteristické vlastnosti tejto unikátnej horúcej hviezdy sú: pomalšia rýchlosť rotácie (v porovnaní s A hviezdami) a vyšší obsah ťažkých prvkov v atmosfére hviezdy, akými sú napríklad železo, kobalt, nikel. Je to trochu menej známy pojem všeobecne.

Jaká byla vaše úloha v tomto projektu?

Petr Kabáth: Ján Šubjak je můj student (PhD studia), který pod mým vedením dělal analýzu dat a je prvním autorem článku. K projektu se dostal díky mezinárodnímu konsorciu KESPRINT (cca. 60 vědců z různých zemí), do kterého jsme vstoupili v lednu 2019 a které se zabývá právě podporou mise TESS. Pro tento objekt jsme měli data a moje první zpracování ukazovalo na hnědého trpaslíka. Ján se pak vrhl na detailní analýzu a s pomocí kolegů v KESPRINTu a na Harvardské universitě (jsou tam data ze čtyř různých observatoří) se nám podařilo trpaslíka potvrdit.

Co vám přijde zajímavé právě na tomto výzkumu? Je to vaše první vědecká práce?

Ján Šubjak: Pracoval som už na predchádzajúcom projekte ako spoluautor, kde som spracovával dáta z Ondřejova. Ide však o moju prvú prácu v pozícii hlavného autora. Zaujímavé to bolo práve z tohto pohľadu. Hneď v rámci svojho prvého veľkého článku som spolupracoval so skupinou na Harvarde a inými zahraničnými skupinami. Preto bolo potrebné sa rýchlo adaptovať a zhostiť sa úlohy hlavného autora. S tým je spojená nielen vedecká činnosť, ale aj koordinovanie a organizovanie všetkých spoluautorov. Mal som však neustálu podporu od Petra, takže to bolo o to ľahšie.

Měl jste štěstí, že jste rovnou padl na tento objev, nebo jste musel absolvovat spoustu dalších nezajímavých pozorování?

Ján Šubjak: Do istej miery oboje. Počas celého roka pravidelne pozorujem s ďalekohľadom v Ondřejove. Keďže nie je možné očakávať, že z každého pozorovania bude článok podobného typu ako TOI-503, pár menej zaujímavých pozorovaní som už absolvoval. Vždy sa však snažíme vyberať potenciálne zaujímavé objekty. Na druhú stranu pre mňa, ako mladého doktoranda, je užitočná každá noc pri ďalekohľade, takže si odnášam skúsenosti tohto typu. Čo sa týka TOI-503 objektu, tak to bolo aj o šťastí. Zorné pole TESS v tom období skenovalo južnú oblohu, takže nebolo veľa kandidátov, ktoré by sme mohli pozorovať. TOI-503 bol jeden z mála objektov, na ktoré sme sa rozhodli zamerať. Bol viditeľný len pár hodín po zotmení.

Byli jste jediní, kdo vybraný objekt zkoumal?

Ján Šubjak: Neskôr o tento objekt prejavil záujem aj doktorandský študent na Harvarde Theron W. Carmichael a ďalší v Indii - Rishikesh Sharma, takže myšlienka, ktorá za tým vznikla, bola publikovať článok s troma doktorandmi ako hlavnými autormi a taktiež odniesť si zo spolupráce čo najviac skúseností. Už pri prvotných analýzach sme vedeli, že ide o hnedého trpaslíka, čo bolo veľmi zaujímavé. Navyše som v ďalších analýzach ukázal, že obieha okolo Am hviezdy a tým pádom je to unikátny systém. Takže sa prekročili všetky očakávania. Ak to mám nejako zhrnúť, tak celý tento projekt bol pre mňa veľká príležitosť, ktorá väčšinou neprichádza tak skoro. Treba však byť na ňu pripravený, nech príde hocikedy.

Vedoucí ondřejovské skupiny výzkumu exoplanet Petr Kabáth (vlevo) se zabývá detekcí a charakterizací atmosfér exoplanet. Koordinuje měření jejich radiálních rychlostí. Vedoucí projektu a školitel Jána Šubjaka (vpravo). Ján Šubjak obhájil na Komenského Univerzitě v Bratislavě diplomovou práci zaměřenou na výzkum exoplanet. V rámci doktorandského studia objevil a prokázal unikátnost exoplanetárního systému TOI - 503.