Prva egzoplaneta je otkrivana 1992. godine. Za naučnu potvrdu je trebalo da prođe još nekoliko godina, ali uglavnom, oko pulsara PSR B1257+12, udaljenog 2300 svjetlosnih godina od nas koji je trebao da pulsira svakih 0.006219 sekundi naučnici su primijetili da to pulsiranje u nekim vremenskim razmacima bude malo slabije.
Kada su zaključili da su ti razmaci jednaki, trebalo je navaliti u dodatno ispitivanje i dokazivanje. Razlog smanjenog pulsiranja su bile dvije planete, jedna tri a druga četiri puta masivnija od Zemlje. Orbitni periodi su im bili po 67 i 98 dana. Tri godine kasnije, otkrivena je i prva egzoplaneta oko „normalne“ zvijezde kao što je naše Sunce. Ova je bila još veća (mase kao pola Jupitera) i od tada se broj novootkrivenih planeta skoro eksponencijalno povećavao. Septembra 2020. godine otkriven je i prvi kandidat egzoplaneta van naše galaksije. Ovo oktriće nas vodi 23 miliona svjetlosnih godina daleko, u galaksiju M31 i vjerovatno otvara novo polje naučnih saznanja koje smo tek zagrebali. Do danas je poznato preko 4000 potvrđenih egzoplaneta i još nekoliko hiljada kandidata koje čekaju potvrdu.
Najbliža od svih otkrivenih egzoplaneta se nalazi na nešto više od 4 svjetlosnih godina od nas. Vojadžer 1 putuje već 44 godine i najdalje je otišao od svega što je čovjek napravio a trenutno je na udaljenosti od 0.00243944762 svjetlosne godine od Zemlje. Dakle, reklo bi se da skorije nećemo stizati ni do jedne egzoplanete. Dok ne pronađemo neki međuzvjezdani pogon, šta nam drugo ostaje sem proučavanje ovdje u našoj kući. Teleskopi koji pokrivaju sve djelove spektra elektromagnetnog zračenja izuzetno pomažu i dali su nemjerljiv doprinos proučavanju svih tih dalekih svjetova i pojava. Međutim, ja sam se često pitao kako naučnici mogu znati baš toliko detalja i kako donesu toliko zaključaka samo na osnovu posmatranja, naročito zato što se na tim svjetovima događaju pojave koje nemamo „kod kuće“.
Tipovi egzoplaneta
Najčešći tip planete koji možemo naći je Superzemlja. Planete manje od Urana i Neptuna a veće od Zemlje, sa čvrstom površinom su za sad najbronije, no eto, Sunčev sistem nema nijednu. S obzirom da su, po našem sadašnjem poimanju života, pogodnije za razvoj živog svijeta u odnosu na gasovite džinove ili Neptunce, te da ih je lakše otkriti od kamenitih planeta veličine Zemlje i Marsa, logično je da su nam meta broj jedan u istraživanjima. Veća masa znači i veći pritisak u unutrašnjosti, reda veličina 10 miliona atsmofera i nekoliko puta veći nego pritisak u središtu Zemlje. Na njima, fizika i hemija demonstriraju neka mnogo agresivnija i za naša poimanja neprijateljskija svojstva. Za razumijevanje tih procesa na scenu stupaju simulacije tih pojava i to u ogromnim laboratorijama.
Laseri veličine fudbalskog terena ili elektromagneti veličine magacina su uređaji koji nam pomažu da shvatimo kako stvari funkcionišu onamo gdje ne možemo dobaciti sondom koja će izvršiti mjerenja. Da bi se potpuno shvatio model ponašanja neke planete, potrebno je razumjeti njenu duboku unutrašnjost, a tu mlazovi tečnih stijena i metala mogu generisati moćna magnetna polja i pokretati kontinente na površini. A na tim dubinama se u kalkulacije moraju uračunati i ogromni pritisci koji vladaju. Poređenja radi, unutar planete veličine Jupitera, pritisak može biti i 70 miliona puta veći od onoga sa čim mi imamo iskustva na površini Zemlje. Na takvim pritiscima, materija se baš ne ponaša onako kako smo mi navikli. Pošteno je zaključiti da praktično i ne znamo šta se dešava u takvim uslovima.
Uobičajen način postizanja velikih pritisaka je da se u pravom smislu riječi pritisak, komad stijene ili metala bukvalno pritisne između dva dijamanta. Međutim, ovom nasilnom metodom možemo dobaciti samo do nekoliko miliona atmosfera. Tu na scenu stupa Z mašina, iz američke nacionalne laboratorije Sandia. Ona predstavlja najveći Z-pinch u svijetu (zeta stega, najslobodnije prevedeno) i prvenstveno je bila namijenjena za proučavanje nuklearne fuzije (o čemu sam pisao ovdje). Sajt ove laboratorije kaže da je Z mašina najmoćniji i najučinkovitiji izvor laboratorijskog zračenja na svijetu. Koristi velika magnetska polja povezana sa visokim električnim strujama za proizvodnju visokih temperatura, visokih pritisaka i snažnih X-zraka. Ovo svakako nećemo naći nigdje šetajući površinom Zemlje. Kada se okrene prekidač na ovom čudu tehnike, cunami električne struje izvire iz baterija u žice. Strujni impuls dugačak samo nanosekundu generiše ogromna magnetna polja koja su toliko jaka da nasilno implodiraju žicu. Ovim se ono što je ostavljeno unutra izlaže sili, preciznije štipanju ili stezanju reda detonacije termonuklearne bojeve glave.
Z mašina (Sandia National Laboratories Z) prikazana tokom rada
Stručnjaci ove laboratorije su ovakvom tretmanu podvrgli najobimniji mineral na Zemlji koji se zove Bridgmanit, te vidjeli da se u takvim uslovima ne ponaša onako kako bi očekivali. Topi se na puno većim temperaturama u odnosu na one koje imamo u unutrašnjosti Zemlje. Primjera radi, pri normalnom pritisku atomi kiseonika u stijenama djeluju kao izolator koji ne može provoditi električnu energiju. Duboko u planeti, usled ogromnog pritiska, atomi kiseonika će se ponašati kao metal, sa učvršćenim jezgrom, ali sa elektronima koji su slobodni za protok. To u praksi znači da je ideja o kamenitom jezgru Jupitera pogrešna, te da se prije može koristiti neki naziv kao što je metalizovani žele od kiseonika.
Jezik nauke je univerzalan, ali kada se radi o ovako komplikovanim procesima, nije toliko jednostavno razumjeti šta kolege iz drugih grana rade. Načnici koji proučvaju fiziku plazme, planetarni naučnici i astronomi često ne barataju istim terminima, pa onda i proučavanje fizički iste pojave može da bude problem, a moraju svi raditi zajedno. Planetarni naučnici imaju teorijske ideje kako bi se materija mogla ponašati pri visokim pritiscima, ali im je trebala laboratorijska provjera. Sada imaju kolege koji im to omogućavaju, te je s tom idejom formiran CMAP (Center for Matter at Atomic Pressures) sastavljen iz sedam različitih institucija.
U CMAP sistem je osim Z mašine uključen i OMEGA laser, veličine fudbalskog terena. Ovaj laser sa 60 jakih snopova je takođe prvenstveno dizajniran za istraživanje energije fuzije, pa je ovakvom saradnjom „pozajmljen“ za ispitivanje uslova na Suncu ili u unutrašnosti planeta. Trenutno, uspomoć njega se ispituje događaj kao što je sudar Zemlje sa tijelom veličine Marsa, usled čega je kako se pretpostavlja po nekim modelima, nastao naš Mjesec. Problem predstavlja to što se u momentu tog sudara Zemlja još nije ohladila od toplote nastale formiranjem planete i bila je prekrivena okeanom magme što je jako teško izmodelovati. Posle unošenja uzoraka stijena u komoru lasera, oni se bombarduju laserskim zracima kako bi se simularao planetarni udar, te se analizira reakcija materijala na tako agresivan tretman naučnika.
OMEGA laserski sistem u radu u Laboratoriju za lasersku energetiku Univerziteta Ročester.
Nekoliko ovakvih lasera su francuski i američki istraživači koristili za proučavanje fenomena helijumske kiše u Saturnu i Jupiteru. Duboko u gasovitim džinovima ogroman pritisak istiskuje vodonik i helijum u metalne tečnosti nalik živi. Ove tečnosti se dobro miješaju u plićim djelovima unutrašnjosti, ali u dubljim, načela atomske teorije predviđaju da je njihovo miješanje nalik miješanju vode i nafte. Pošto je helijum teži, on pada dolje i to proizvodi toplotu. Upravo zbog toga se pojava zove helijumska kiša i može biti razlog zašto Saturn emituje više toplotnog zračenja nego što dobija od Sunca.
Testirana helijumska kiša u Saturnu i potencijalna neonska kiša u Jupiteru
Da bi se testirala ova teorija, bilo je potrebno napraviti pravu srazmjernu smješu helijuma i vodonika i to ubaciti u lasersku komoru. Elementi se prvo stiskaju u dijamantskoj stegi, da bi laserima bilo lakše da izazovu snažne udarne talase koji simuliraju prave uslove u ovim džinovskim planetama. Rezultat koji su dobili je bio potvrda prethodne teorije o helijumskoj kiši, uz gomilu novih detalja koji zahtijevaju nova ispitivanja. Ovakvi i slični primjeri su odličan pokazatelj kakvi se rezultati mogu postići kada različite grane nauke ujedine svoje snage i saznanja.
Ukupno gledano, ovakvi eksperimenti su poprilično skupi i za sad predstavljaju pionirske poduhvate. No, kako nauka i tehnologija bude napredovale, velika je vjerovatnoća da će ovi instrumenti dobiti još gomilu novih mašina saradnika koje će nam dati bolji uvid u to šta se dešava na mjestima koje ne možemo da dohvatimo ili vidimo. Kao i svako novo saznanje, otvoriće još gomilu novih pitanja koja nam sada ne mogu ni pasti na pamet, te načeti djelove fizičko-hemijskih procesa koje do sada nismo imali prilike da vidimo, ili smo ih imali samo kao teorije.
Reference:
https://www.sandia.gov/z-machine/
https://www.lle.rochester.edu/index.php/omega-laser-facility-2/