Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 45 – vyšlo 15. listopadu, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

45/2019

Hnědý trpaslík na Ondřejově

Rudolf Mentzl

Když začátkem tohoto roku lovec exoplanet – americká družice TESSTESS – Transit Exoplanet Survey Satellite, družice zaměřená na výzkum a hledání tranzitujících exoplanet. Startovala 18. 4. 2018 z kosmodromu Cape Canaveral a byla navedena na protáhlou geocentrickou dráhu s perigeem 108 000 km a apogeem 375 000 km. Součástí přístrojového vybavení jsou především čtyři širokoúhlé dalekohledy opatřené CCD detektory. – naměřila periodické změny jasu systému TOI-503, připsala pouze jednu položku do obsáhlé databáze s několika tisíci záznamy. Podezření, že jde o planetární systém, bylo třeba ještě potvrdit, či vyvrátit pozemními přístroji. Při tomto procesu můžeme být svědky nejednoho překvapení a příslušné pracoviště si pak může připsat objevitelské prvenství. V tomto bulletinu do jednoho takového pracoviště nahlédneme. Nachází se v Ondřejově.

Umělecká představa hnědého trpaslíka. Zdroj: NASA/JPL-Caltech.

TESS – Transit Exoplanet Survey Satellite, družice zaměřená na výzkum a hledání tranzitujících exoplanet. Startovala 18. 4. 2018 z kosmodromu Cape Canaveral a byla navedena na protáhlou geocentrickou dráhu s perigeem 108 000 km a apogeem 375 000 km. Součástí přístrojového vybavení jsou především čtyři širokoúhlé dalekohledy opatřené CCD detektory. TOI – TESS Objects of Interest, databáze hvězdných kandidátů, u kterých sonda TESS identifikovala poklesy jasnosti, a jsou tudíž vhodné k detailnímu prozkoumání. Jednotlivé objekty jsou rozlišeny čísly, například TOI-503 je hvězda, u které byla později na Ondřejovské hvězdárně potvrzena přítomnost souputníka – hnědého trpaslíka. Exoplaneta – extrasolární planeta, planeta obíhající okolo jiné hvězdy, než je naše Slunce. Jejich existence byla předpovězena dlouhou dobu, první exoplaneta u pulzaru byla detekována v roce 1992, první exoplaneta u hvězdy hlavní posloupnosti byla objevena až v roce 1995 u hvězdy 51 Pegasi. Její objevitelé – Michel Mayor a Didier Queloz – získali v roce 2019 Nobelovu cenu. Do roku 2019 bylo nalezeno přibližně 4 000 exoplanet. Většinou jde o velká tělesa s hmotností a velikostí jen o málo menší, než mají hnědí trpaslíci. Ešeletový spektrometr – spektrometr, jehož srdce tvoří mřížka rozkládající světlo. Speciální typ ešeletových mřížek má strukturu velice jemných vrypů následujících těsně po sobě. Struktura vrypů připomíná schody (francouzsky échelle [ešel]). Hrany jednotlivých stupňů tvoří rozkladnou mřížku. Hnědý trpaslík – hvězda s tak malou hmotností (13÷80 MJ), že teplota v nitru nikdy nedosáhne bodu vzplanutí dostatečně energetických termojaderných reakcí (alespoň 8×106 K). Dalšímu stlačování vlivem gravitace a tím i nárůstu teploty zabrání elektronová degenerace. Od planet se liší tím, že emituje po dobu několika miliard let viditelné světlo (planeta září v IR).

TESS

O družici TESS jsme již informovali v bulletinu AB 27/2018, proto jen ve stručnosti zopakujeme, že jde o družici společnosti NASA. Jejím úkolem je proměřit světelné křivky asi 200 000 hvězd a případně upozornit na možné planetární soustavy. Máme-li to štěstí, že rovina dráhy exoplanetyExoplaneta – extrasolární planeta, planeta obíhající okolo jiné hvězdy, než je naše Slunce. Jejich existence byla předpovězena dlouhou dobu, první exoplaneta u pulzaru byla detekována v roce 1992, první exoplaneta u hvězdy hlavní posloupnosti byla objevena až v roce 1995 u hvězdy 51 Pegasi. Její objevitelé – Michel Mayor a Didier Queloz – získali v roce 2019 Nobelovu cenu. Do roku 2019 bylo nalezeno přibližně 4 000 exoplanet. Většinou jde o velká tělesa s hmotností a velikostí jen o málo menší, než mají hnědí trpaslíci. prochází naší ZemíZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru., zaznamená TESS při jejím přechodu před tělesem hvězdy (při tzv. tranzituTranzit – přechod nebeského tělesa přes jiné těleso. Příkladem může být situace, kdy z místa pozorovatele přechází (většinou opakovaně) exoplaneta přes mateřskou hvězdu. Klíčovými parametry tranzitu jsou: počátek tranzitu (vstup), střed tranzitu, konec tranzitu (výstup) a hloubka tranzitu neboli pokles magnitudy pozorovaného tělesa způsobený přechodem.) pokles jasnosti. Družice má oblohu rozdělenou na jakési pásy. Každému se věnuje 27 dní, během kterých každé dvě minuty zaznamená jasnost asi 15 000 hvězd. Z tvaru světelné křivky hvězdy pak lze určit oběžnou dobu případné exoplanety, její vzdálenost od hvězdy a rozměry, nicméně nic není tak jednoduché, jak v prvním nástinu vypadá. Ačkoli TESS obíhá daleko od rušivých vlivů Země, měření může být ovlivněno dalšími faktory, které je třeba eliminovat doplňkovými pozorováními pokud možno jiného charakteru.

Hlavním problémem dalekohledů na družici TESS je poměrně vysoká hodnota rozptylové funkce. Jinými slovy, bodový zdroj se vykresluje jako kotouček (tzv. maximum prvního řádu) obklopený již méně jasnými maximy, tzv. Airyho disky. Pokud se tedy do zkoumaného systému promítá nějaká další hvězda, která nemá se systémem nic společného, utápí se signál ve světle objektu. Lék na tento neduh je poměrně jednoduchý, nicméně na oběžné dráze nedostupný. Použít dalekohled s vyšším rozlišením, který dokáže objekty rozlišit.

Graf hustot obřích exoplanet a hvězdných trpaslíků. Šipkou je vyznačen hnědý trpaslík ve zkoumaném systému TOI-503. Zdroj: Ján Šubjak, Petr Kabáth, Ondřejov.

Dalším problémem spojeným s hledáním exoplanet pomocí změn jasu je, že tyto změny nemusí být způsobeny jen tranzityTranzit – přechod nebeského tělesa přes jiné těleso. Příkladem může být situace, kdy z místa pozorovatele přechází (většinou opakovaně) exoplaneta přes mateřskou hvězdu. Klíčovými parametry tranzitu jsou: počátek tranzitu (vstup), střed tranzitu, konec tranzitu (výstup) a hloubka tranzitu neboli pokles magnitudy pozorovaného tělesa způsobený přechodem. planet. Hvězda může být proměnná nebo je na jejím povrchu tmavá skvrna a naměřený signál pak nekopíruje oběh exoplanety, nýbrž pouze odpovídá rotaci hvězdy. V tomto případě se dostává ke slovu fotometrieFotometrie – část astronomie zabývající se zkoumáním a porovnáváním světla z různých zdrojů z hlediska jeho působení na lidský zrakový orgán. Sledované fotometrické veličiny, například jasnost, světelný tok nebo osvětlení zohledňují vedle vlastností dopadajících fotonů fyziologii našeho zraku. v různých barevných pásmech, popřípadě spektroskopie.

Spektroskopii máme spojenou většinou s rozpoznáváním chemického zastoupení jednotlivých prvků v atmosférách hvězd. V případě hvězdy, která obíhá kolem společného těžiště s planetou, můžeme naměřit ještě dopplerovský posunDopplerův jev – změna frekvence vlnění při vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele. Přibližuje-li se pozorovatel ke zdroji, naměří vyšší frekvenci, než když se vzdaluje. Může jít o zvukové, elektromagnetické i jakékoli jiné vlnění. Jev poprvé popsal rakouský matematik a fyzik Christiaan Doppler (1803–1853), který část svého krátkého života strávil jako profesor pražské Polytechniky, předchůdkyni dnešního ČVUT v Praze. spektrálních čar. Podle toho, zda se hvězda právě přibližuje, nebo vzdaluje, posunují se čáry k modrému nebo červenému konci spektra. Čím větší posun, tím větší rychlost. V případě hnědých trpaslíkůHnědý trpaslík – hvězda s tak malou hmotností (13÷80 M_J), že teplota v nitru nikdy nedosáhne bodu vzplanutí dostatečně energetických termojaderných reakcí (alespoň 8×10⁶ K). Dalšímu stlačování vlivem gravitace a tím i nárůstu teploty zabrání elektronová degenerace. Od planet se liší tím, že emituje po dobu několika miliard let viditelné světlo (planeta září v IR)., kteří díky své velké hmotnosti ovlivňují pohyb centrální hvězdy mnohonásobně více, než běžné planety, jsou rychlosti hvězdy v řádu kilometrů za sekundu. Postup je samozřejmě opačný. Z naměřeného spektrálního posunu se dopočítá rychlost hvězdy pro čas daného pozorování, a ta se následně vykreslí do křivky radiálních rychlostí spolu s rychlostmi pro všechna pozorovaní. Tato křivka, která odpovídá pohybu hvězdy okolo společného těžiště s planetou/hnědým trpaslíkem, je periodická a je tedy možné z ní určit obežnou periodu a taktéž dolní odhad hmotnosti planety. V kombinaci s fotometrií, v tomto případě s pozorováními z TESS, dokážeme potom určit přesnou hmotnost planety, její velikost a následně hustotu.

Graf vývoje radiální rychlosti hvězdy v soustavě TOI-503, jak byl napozorován v Ondřejově a na spolupracujících observatořích. Zdroj: Ján Šubjak, Petr Kabáth, Astronomický ústav AV ČR, Ondřejov.

Jak se zkoumají exoplanety v Ondřejově

Ukázalo se, že hnědý trpaslík v soustavě TOI-503 obíhá na třiapůldenní kruhové dráze (3 dny 16h 15min) kolem hvězdy o hmotnosti 1,8 a poloměru 1,79krát větším, než má SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Stáří se odhaduje na asi 180 milionů let. Hmotnost trpaslíka se pohybuje kolem 54 hmotností JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole., což při poloměru jen o málo větším než Jupiter (1,29 R_J) představuje hustotu 33 g·cm⁻³.

Perkův dalekohled na Ondřejovské hvězdárně sice nepatří mezi největší na světě, ale to neznamená, že nemá čím přispět moderní astronomii. Je nezbytný například pro práci skupiny zabývající se výzkumem exoplanet, jejímž vedením je pověřen Petr Kabáth. Dalekohled s instalovaným snadno zprostředkuje výše popsaná měření radiálních rychlostí hvězdy. Výhodou ešeletových mřížek je, že po rozděleni jednotlivých řádů optickým hranolem lze pokrýt širokou oblast vlnových délek (ondřejovský ešeletový spektrograf: 360–900 nm) a dosáhnout velkého spektrálního rozlišení. Právě parametry dalekohledu a jeho umístění byly základní faktory, od kterých se odvíjel výběr zkoumaných objektů. Tentokrát výběr nebyl velký, protože TESS právě skenuje jižní oblohu a TOI-503 byl jeden z mála kandidátů, které bylo možné pozorovat i v našich zeměpisných šířkách. Nachází se v souhvězdí Raka a v době pozorování byl viditelný pouze několik hodin po setmění.

Podporou mise TESS se zabývá konsorcium KESPRINT zastřešující práci asi šedesáti vědců z různých zemí. Ondřejovská skupina vstoupila do této organizace v lednu tohoto roku, což přineslo téměř okamžitý profit. Na základě předběžného zpracování Petrem Kabáthem projevil o bližší prozkoumání TOI-503 zájem doktorandský student Ján Šubjak (Ondřejov, AsÚ AVČR) a mimo rámec KESPRINTu se později přidali Rishikesh Sharma (Physical Research Laboratory, India) a Theron W. Carmichael (Harvard University, Cambridge, MA, US). Již po prvních analýzách bylo jasné, že jde o hnědého trpaslíka. Ján Šubjak navíc prokázal, že jde o unikátní systém, ve kterém hnědý trpaslík obíhá kolem hvězdy třídy AmAm hvězda – hvězda spektrální třídy A s atypickými kovovými čarami ve spektru (m je zkratkou z anglického „metallic“)..

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 dipomovou práci zaměřenou na výzkum exoplanet. V rámci doktorandského studia objevil a prokázal unikátnost objeveného exoplanetárního systému TOI-503.

Hnědý trpaslík je těleso na pomezí mezi hvězdou a planetou. Složením se podobá plynným planetám nebo hvězdám. Je definován svou hmotností, která je dostatečná k vyvolání tlaků nutných ke spuštění deuteriových jaderných reakcí, nicméně již nestačí k termojaderné syntéze těžších prvků z obyčejného vodíku. Jeho hmotnost je 13–80× větší než hmotnost planety Jupiter. Hnědý trpaslík vyzařuje energii převážně v rádiovém a infračervenémInfračervené záření – elektromagnetické záření s delší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 0,75 μm do 400 μm. Infračervené záření objevil v roce 1800 William Herschel při rozkladu slunečního světla hranolem. Zjistil, že za červenou barvou existuje další záření, které zahřeje teploměr. IR záření využíváme v infrazářičích, v infralampách, při infraterapii, v dálkových ovladačích, v termovizi, v čidlech na zloděje, v dálkových teploměrech a při dálkovém průzkumu Země. V astronomii se využívá IR záření k výzkumu meziplanetární hmoty, planetárních atmosfér, plynu a prachu v galaxiích, hnědých trpaslíků, červených veleobrů, exoplanet, protoplanetárních disků a mlhovin. IR záření prochází zemskou atmosférou jen částečně, v tzv.oknech. oboru, někdy také v dlouhovlnné oblasti viditelného světla.

Označení hvězdy Am se odvíjí od spektrální třídySpektrální třída – rozdělení hvězd podle charakteristik jejich spekter do základních tříd W, O, B, A, F, G, K, M, L, T. Nejteplejší, modrofialové hvězdy mají spektrum označené W, nejchladnější hvězdy spektrálních tříd M, L a T jsou červené. Spektrální třída odpovídá zejména povrchové teplotě hvězdy. A. Poněkud netypická přípona „m“ (obyčejně následuje jemnější dělení třídy reprezentované číslicí v rozmezí 0–9, případně ještě luminozitní třída značená římskými číslicemi I–VII; naše Slunce má spektrální třídu G2V) posunuje význam někam jinam. Typickým znakem Am hvězd je pomalejší rotace, než mají obyčejné A hvězdy. Je to způsobeno vlivem jiného tělesa (například slapovými silami). Důsledkem mohou být difúzní procesy v atmosféře hvězdy, které vynášejí na její povrch těžší prvky (kovy – odtud „m“ za označením třídy znamenající metallic-line star), jako je Fe, Ni, Co, Zn, Sr, Zr, Ba… a zatlačují hlouběji lehčí prvky jako třeba Ca, Sc. Proto ve spektru pozorujeme (oproti hvězdám typu A) silnější absorpční čáry těžších prvků a naopak slabší čáry lehčích prvků.

Čím je TOI - 503 výjimečný?

Systém TOI-503 je první a zatím jediný systém s hnědým trpaslíkem obíhajícím kolem hvězdy spektrální třídy A s vysokou metalicitouMetalicita – obsah kovů. V astronomii se tak označují veškeré prvky těžší než vodík a helium.. Bez zajímavosti také není, že je zde porušeno pravidlo hnědopouště (Brown Dwarf Desert). O co jde: od počátků objevování exoplanet se ukazuje, že hnědí trpaslíci se neradi usazují na oběžných drahách s poloměrem 3–5 auAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů.. To je právě ona zmíněná hnědopoušť – zakázaná oblast, kde se hnědí trpaslíci nevyskytují. Proč taková oblast existuje, je zatím předmětem diskusí. Možná jde o důsledek migrace planet, možná to souvisí se vznikem planetárních systémů, možná se vysvětlení nachází ještě jinde. V každém případě se jedná o důležitý objev, v zahraničních materiálech se dnes můžeme setkat se články na téma „Poušť se zazelenala“. Podivný termín hnědopoušť nenaleznete v žádném slovníku. Je to první pokus o přeložení anglického termínu Brown Dwarf Desert. Zajisté se nejedná o slovo libozvučné, je to jen zatímní náhrada snažící se odvrátit nebezpečí zavedení termínu „Poušť hnědých trpaslíků“, který sice zní poeticky, nicméně je zavádějící. Z logiky věci by plynulo, že to je poušť, ve které dominují právě hnědí trpaslíci, ale hledaný výraz by měl mít význam přesně opačný.

Pro nás nese objev ještě jedno prvenství. V případě Ondřejovské hvězdárny je systém TOI–503 vůbec první zde objevený hnědý trpaslík. A ještě jeden vzkaz na závěr. Mezi řádky a nyní již zcela otevřeně zde poukazujeme na to, že dveře pro mezinárodní spolupráci jsou již zcela dokořán. Šanci mají nejen renomovaní vědci, ale i studenti na začátku kariéry. A že taková kariéra může začít objevem, je již potvrzeno.

Odkazy