V minulém dílu našeho seriálu TOP 5 jsme si probrali nejlepší objevy Comptonovy gama observatoře, vrcholné sondy věnující se gama astronomii. Jen těžko bychom ale mohli udělat TOP 5 věnované astronomickým observatořím bez tématu exoplanet, které se nám objevuje vždy a všude a doprovází snad všechny seriály. Není divu, jde o jedno z nejzajímavějších a nejaktuálnějších témat současného výzkumu. Přestože se exoplanetám věnovala už celá řada astronomických observatoří, nutno konstatovat, že prozatím zdaleka největší stopu zanechala americká sonda Kepler, které se dnes budeme věnovat a představíme si její nejdůležitější objevy.

5) První kamenná planeta

V počátcích výzkumu extrasolárních planet byla většina objevených těles velmi hmotná, šlo vesměs o plynné obry, kteří navíc obíhali velmi blízko své hvězdě. Tuto kategorii planet z našeho systému vůbec neznáme, jednalo se o úplnou novinku, která planetární vědce překvapila, neboť v těsné blízkosti hvězd by žádné obří plynné planety vznikat neměly. Později se však ukázalo, že sem tato tělesa odmigrovala ze vzdálenějších částí svých systémů, kde vznikla. Nový typ planet získal označení horký Jupiter. Ačkoliv šlo bezesporu o zajímavou kategorii, přáli si vědci najít i menší tělesa, alespoň o velikosti Uranu a Neptunu, v optimálním případě však i menší planety podobné Zemi nejen svou velikostí, ale i složením.

Migrace planet skutečně může probíhat a možná k ní došlo i v naší Sluneční soustavě. Všimněte si, že mezi obrázkem vlevo (nejstarší) a vpravo (nejmladší) se jednak výrazně zvětšily oběžné dráhy Uranu a Neptunu a tito ledoví obři si navíc vyměnili svá místa. Tak to aspoň předpokládá model z Nice.
Zdroj: https://reasons-prod.storage.googleapis.com/

Několik náznaků se sice objevilo již dříve, avšak na první potvrzený objev jsme si museli počkat až do roku 2011. Vědecký tým tehdy oznámil objev právě takové planety u hvězdy Kepler-10 v souhvězdí Draka. Tato hvězda se nachází 607 světelných let od Slunce a jde o hvězdu spektrálního typu G2V, což značí, že je o něco chladnější než Slunce. Oproti naší hvězdě je i o něco méně hmotná, avšak pokud jde o průměr, dosahuje mírně vyšší velikosti. A co více, její stáří je zhruba 12 miliard let, je tak více než dvakrát starší než naše Slunce. Pokud byste hvězdu hledali na obloze, potřebovali byste alespoň střední astronomický dalekohled, protože dosahuje jen magnitudy 11,2. Oč je však méně výrazná, o to zajímavější je její planetární systém.

Astronomka Natalie Batalha s modelem planety Kepler-10
Zdroj: https://usasciencefestival.org/

V roce 2011 oznámila NASA v tomto systému objev dvou planet Kepler-10 b a Kepler-10 c. Ty se povedlo detekovat díky tranzitní metodě, kdy se pozoruje drobné pohasnutí hvězdy způsobené přechodem planety přes její disk. V roce 2023 se podařilo díky měření radiální rychlosti najít ještě třetí planetu Kepler-10 d. Nás teď zajímá planeta Kepler-10 b, neboť jde o planetu, jejích průměr je oproti Zemi asi o polovinu větší, zato hmotnost má vyšší rovnou třikrát. A její hustota se blíží hustotě železa. Jinými slovy, Kepler-10 b je zcela určitě terestrická planeta. Zemi však příliš podobná není. Oběh kolem hvězdy jí netrvá ani jeden den, takže na povrchu panuje teplota 1500 stupňů Celsia a přestože jsou na povrchu horniny a kovy, jsou nejspíše v roztaveném stavu.

4) První planeta se dvěma slunci

Legendární záběr z prvního filmu Star Wars zobrazující Luka Skywalkera sledujícího západ sluncí na své planetě.
Zdroj: https://lumiere-a.akamaihd.net/

Kdo by neznal ten pohled z legendárního filmu George Lucase z roku 1977 Star Wars: Episode IV – A New Hope (česky Hvězdné války: Epizoda IV – Nová naděje). Hlavní hrdina právě začínajícího příběhu Luke Skywalker stojí na své domovské vyprahlé pouštní planetě Tatooine, kde žije se svým strýcem a tetou, a dívá se na oblohu. Je právě večer a mladý hrdina se dívá na západ slunce. Ovšem tento západ slunce je něčím poměrně zvláštní. Nezapadá totiž jedna hvězda ale hned dvě. Ano, filmová Tatooine totiž obíhá kolem dvou hvězd najednou. Něco takového je určitě možné i v realitě, ovšem astronomové si to jen těžko dovedli představit. Jak to? Jsou snad tak natvrdlí nebo nevěřící? Nikoliv, měli k tomu dobré důvody.

Systém Kepler-16
Zdroj: https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/

Jde o to, že systém dvou relativně hmotných těles je v zásadě velmi stabilní. Ale přidání třetího hmotného tělesa činí obrovské problémy. Z krásného chování u dvou těles najednou dostaneme chaos nad chaos, jakékoliv delší predikce chování systému jsou nemožné, protože i malé změny počátečních podmínek vedou k velmi odlišným výsledkům. Může se tak stát, že dojde ke srážce dvou ze tří těles nebo k odvržení jednoho tělesa pryč ze systému. Právě popsaný jev označujeme jako problém tří těles. Těžkosti jsou tedy značné. Přesto se však ukazuje, že situace kdy jedna planeta obíhá kolem dvou hvězd nastat mohou. První takovou známou planetou je Kepler-16 b v souhvězdí Labutě vzdálený 245 světelných let.

Pohled na dvě hvězdy a planetu systému Kepler-16 z hypotetického měsíce planety Kepler-16b.
Zdroj: https://exoplanets.nasa.gov/

Obě hvězdy systému jsou menší než Slunce. Kepler-16A má spektrální typ K, zatímco Kepler-16B spektrální typ M. Jde tedy o relativně chladné trpasličí hvězdy, ostatně Kepler-16B dosahuje na povrchu teploty jen 3300 K, což je o několik set stupňů méně než je teplota tání wolframu. S ohledem na výše uvedené tedy Kepler-16 pouhým okem opravdu nespatříte, kdybyste se ale podívali silným dalekohledem, vidli byste, že se obě hvězdy občas vzájemně zakrývají. V systému je známa jediná planeta Kepler-16 b, což je plynný obr o něco menší než Saturn. Zatímco obě hvězdy oběhnou kolem společného těžiště jednou za 41 dní, Kepler-16 b je oběhne jednou za 229 dní. Planeta je tak dostatečně vzdálená, než aby hvězdy mohly narušit stabilitu její orbity.

3) První planeta menší než Země

Umělecká představa systému 51 Pegasi.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

O tom, že existují planety, kterou jsou menší než Země, dokonce výrazně menší, nemohl nikdo soudný pochybovat. Vždyť takové ostatně známe i z našeho systému. V počátcích exoplanetární vědy jsme ale objevovali téměř jen obří plynné planety, které byly nejen větší než Země, ale v některých případech i větší než Jupiter. Astronomové však věděli, že je toto dáno nedokonalou pozorovací technikou a také tehdy nejvíce rozšířenou pozorovací metodou radiálních rychlostí, která je nejvíce citlivá právě na velmi hmotné planety. Ano, nemohli si být zcela jisti, že žádné exoplanety o velikosti Země nebo menší u cizích hvězd neexistují, ale důvodně se domnívali, že jde jen o výběrový efekt. Objevy menších těles si slibovali právě od teleskopu Kepler.

Tranzity planet Kepler-20 e a f.
Zdroj: https://www.researchgate.net/

A tato observatoř jejich naděje nezklamala. Již ke konci roku 2011 oznámili astronomové objev prvních planet v systému Kepler-20. Ten leží 934 světelných let od Slunce ve směru souhvězdí Lyry. Mateřská hvězd Kepler-20 je podobná našemu Slunci. Jde o spektrální typ G8V, zatímco Slunce je typ G2V. Z toho vyplývá, že Slunce je o něco větší a teplejší, ale rozdíly nejsou příliš výrazné. Posuďte sami. Kepler-20 dosahuje hmotnosti 91 % našeho Slunce a 94 % jeho průměru. Teplota sluneční fotosféry je asi 5875 K, kdežto u Kepler-20 jde asi o 5460 K, takže má tato hvězda charakteristický žlutý odstín typický pro hvězdy spektrálního typu G. Metalicita, neboli zastoupení prvků těžších než vodík a helium je pak u obou hvězd prakticky totožné.

V prosinci 2011 byl oznámen objev hned pěti planet v tomto systému. Už jen tato skutečnost činí Kepler-20 zajímavým, neboť hvězd s pěti a více planetami zase moc neznáme. Tři z potvrzených planet, totiž Kepler-20 b, c a d jsou tělesa o velikosti jakou mají zhruba naši ledoví obři Uran a Neptun. Přítomny jsou ovšem ještě planety Kepler-20 e a f, no a právě ty nás teď zajímají. Jde totiž o objekty srovnatelné se Zemí. Kepler-20 f je o něco větší než Země, naopak Kepler-20 e je první známá planeta, která je menší než Země (i než Venuše). Přestože jsou však tyto planety hmotností a průměrem blízké Zemi, v jiných charakteristikách jsou zásadně odlišné. Oběh hvězdy jim trvá jen 6, respektive 19 dní, povrchová teplota je tak v řádu stovek stupňů Celsia.

2) První možné vodní světy  

Kamino
Zdroj: https://swrpggm.com/

Ve Hvězdných válkách nemáme jen vyprahlé pouští planety, ale i další typy světů. Jedním z nich jsou i vodní planety. Ta nejznámější se objevila ve filmu Star Wars: Episode II – Attack of the Clones (česky Hvězdné války: Epizoda II – Klony útočí). Jeden z hrdinů Obi-Wan Kenobi zde letí prozkoumat vodní planetu Kamino, na němž žije druh specializující se na výrobu klonů. Nalezne tady i velkou klonovou armádu, která hraje později v příběhu důležitou úlohu. Na rozdíl od planety Kamino která se ve filmech již neobjeví (ale v seriálu Clone Wars ano). Podobně jako u Tatooine si můžeme položit otázku, zda by mohly existovat planety podobné Kamino, tedy vodní světy. Šlo by o planety jejichž povrch by zcela či alespoň z drtivé většiny tvořila voda.

Systém Kepler-62 ve srovnání se Sluneční soustavou.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

A po úvaze musíme dojít k závěru, že žádný zjevný důvod, proč by takové planety nemohly existovat není. Nemělo by nás tedy překvapit, že planety u nichž máme naději, že by mohly vypadat právě takto již byly nalezeny. První detekci NASA ohlásila v roce 2013, kdy se podařilo najít systém Kepler-62, který leží 980 světelných let od Slunce ve směru souhvězdí Lyry. Kepler-62 je hvězdou hlavní posloupností spektrálního typu K. To znamená, že je méně jasná a teplá než naše Slunce. Její hmotnost se rovná třem čtvrtinám hmotnosti Slunce, průměr je asi 66 % slunečního a teplota fotosféry dosahuje 5060 K. Metalicita není oproti naší hvězdě ani poloviční, zato stáří je více než o polovinu vyšší, sedm miliard oproti 4,6 miliardám.

Umělecká představa planety Kepler-62e
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Jak se ukázalo, hvězda Kepler-62 má nejméně pět planet. A už to samo o sobě ji činí výjimečnou. Jak jsme si už řekli, systémů s tolika planetami známe jen nemnoho. Tři nejbližší planety Kepler-62 b, c a d jsou své hvězdě příliš blízko a proto zde nelze čekat existenci kapalné vody, ani života. A to platí, přestože jde o planety malé, dvě z nich jsou super-Země, zatímco Kepler-62 c je zhruba velikosti Marsu a tudíž jedna z velmi malých známých planet. V obyvatelné zóně naopak leží planety Kepler-62 e a f. Jde také o super-Země, jejich poloměr je 1,4 a 1,6 poloměru Země. Obě planety by měly mít vcelku příjemnou povrchovou teplotu a dle numerických simulací je dosti pravděpodobné, že jsou celé pokryté vodním oceánem. Definitivní důkaz však zatím chybí.

1) První potenciálně obyvatelná planeta

Porovnání obyvatelných zón systému TRAPPIST-1 (nahoře) a Sluneční soustavy (dole). V dolní části si také můžete povšimnout znázornění toho, že celý systém TRAPPIST-1 by se pohodlně vešel dovnitř oběžné dráhy Merkuru.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Počet objevených exoplanet začal brzy po prvních dvou objevech v polovině 90. let narůstat, avšak jak už víme, šlo převážně o poněkud podivné až extrémní zástupce exoplanet. Jakýmsi svatým grálem exoplanetárních astronomů však zůstávalo najít planetu v obyvatelné zóně své hvězdy, ještě lépe potenciálně obyvatelnou planetu a vůbec nejlépe planetu podobnou Zemi, která v této zóně leží. A co že to je tak obyvatelná zóna? Jedná se oblast kolem každé hvězdy, uvnitř které může existovat kapalná voda. Jinými slovy, pokud obíhá planeta blíže, pak se veškerá voda vypaří, pokud dále, pak zmrzne, jen právě v obyvatelné zóně máme podmínky tak říkajíc tak akorát, přesně jako v pohádce o Zlatovlásce a třech medvědech.

Porovnání hvězdného systému Kepler 22 se Sluneční soustavou.
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com

A první objevy na sebe nenechaly dlouho čekat. Dokonce i někteří plynní obři totiž zasahují do obyvatelných zón. 16 Cygni Bb tráví v této zóně jen část oběhu, o 70 Virginis b se zase nakonec ukázalo, že je příliš teplá. Následovalo několik plynných obrů, na nichž se však kvůli jejich vlastnostem kapalná voda vyskytovat nemůže. Pokud by však tyto planety měly exoměsíce, mohlo by to být vhodné řešení. Nicméně o tom můžeme jen spekulovat, exoměsíce nyní nedokážeme hledat. Gliese 581 c je sice kamenná, ale později se ukázalo, že leží na samém vniřním okraji obyvatelné zóny, takže připomíná spíše Venuši, podobně i HD 85512 b. První skutečnou aspoń v principu obyvatelnou planetou v obyvatelné zóně je tak Kepler-22 b.

Umělecká představa planety Kepler-22b.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Systém Kepler-22 leží asi 640 světelných let od nás ve směru souhvězdí Labutě a obsahuje jedinou známou planetu. Jde o super-Zemi se zhruba dvojnásobným průměrem proti Zemi a dosud neznámou hmotností víme jen horní limit, který je devět hmotností Země. Jeden oběh kolem mateřské hvězdy trvá planetě 289 dní, přičemž hvězda je spektrální typ G5V, takže dosti podobná našemu Slunci. Ze známé periody oběhu můžeme odhadnout vzdálenost planety a také její povrchovou teplotu, která by měla být 6 stupňů Celsia. Ovšem pozor, tento model pracuje s neexistencí atmosféry. Pokud na planetě není silný skleníkový efekt, mohla by být poměrně vhodná pro potenciální život, i když do tzv. konzervativní obyvatelné zóny se nevejde.

Závěr

K exoplanetám se v budoucnu určitě ještě někdy vrátíme. V příštím díle se ale v našem letním seriálu posuneme dál, konkrétně k evropské sondě Planck.

Doporučené a použité zdroje

• NASA Kepler: https://science.nasa.gov/mission/kepler/
• NASA Exoplanets: https://exoplanets.nasa.gov/
• Exoplanets Encyclopaedia: https://exoplanet.eu/home/

Zdroje obrázků

• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9c/Telescope-KeplerSpacecraft-20130103-717260main_pia11824-full.jpg
• https://usasciencefestival.org/wp-content/uploads/2017/10/Natalie_Kepler-478×478.jpeg
• https://lumiere-a.akamaihd.net/v1/images/open-uri20150608-27674-hoqoq5_1496b98b.jpeg?region=0%2C0%2C1200%2C676
• https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/original_images/jpegPIA14727.jpg
• https://exoplanets.nasa.gov/system/internal_resources/details/original/876_Kepler16b_social.jpg
• https://www.researchgate.net/profile/Jon-Jenkins-2/publication/51879739/figure/fig3/AS:279046417076228@1443541258112/Transit-light-curves-Kepler-20-also-designated-as-KOI070-KIC6850504-and-2MASS.png
• https://swrpggm.com/wp-content/uploads/2021/04/Kamino_FE.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/82/The_diagram_compares_the_planets_of_the_inner_solar_system_to_Kepler-62.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9d/This_artist%27s_concept_depicts_Kepler-62e%2C_a_super-Earth-size_planet_in_the_habitable_zone.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/PIA21424_-_The_TRAPPIST-1_Habitable_Zone.jpg
• https://www.nasaspaceflight.com/wp-content/uploads/2018/10/2018-10-30-19_56_51-Kepler-22-diagram-Kepler-22b-Wikipedia-447×350.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1e/Kepler22b-artwork.jpg