Haumea i jej pierścień

Z dr Anną Marciniak z Instytutu Obserwatorium Astronomiczne UAM rozmawia Magda Ziółek

Jak doszło do odkrycia pierścienia wokół planety karłowatej, która leży ponad 40 razy dalej od Słońca niż Ziemia, a dla nas widoczna jest jako kropka światła na niebie?

Odkrycie pierścienia wokół Haumei zostało dokonane techniką zakrycia gwiazdowego. To jest standardowa technika stosowana w badaniach małych ciał Układu Słonecznego. Planetoidy i obiekty transneptunowe w swoim ruchu na niebie mogą zakrywać dalej leżące gwiazdy. Cień, który w ten sposób powstaje na Ziemi ma rozmiary takie, jak obserwowane ciało. Problem w tym wypadku polegał na ustaleniu, gdzie dokładnie padnie cień. Dzięki kampanii obserwacyjnej, w której uczestniczyły przede wszystkim obserwatoria astronomiczne z Hiszpanii, mierzona była pozycja Haumei. W ten sposób udało się określić orbitę tej planety karłowatej. Nie było to takie proste, ponieważ pomiary dodatkowo utrudniała obecność satelity, który wprowadzał okresowe zmiany położenia ciała głównego. Ostatecznie udało się ustalić, że cień padnie na Europę Środkową i Południową aż po Włochy. Z inicjatywy Andaluzyjskiego Instytutu Astrofizycznego i grupy badawczej prowadzonej przez José Luisa Ortiza zorganizowana została kolejna kampania obserwacyjna, w której wzięliśmy udział. Badania prowadzone były w ramach projektu pt. „Małe ciała daleko i blisko” („Small Bodies Near and Far”) realizowanego ze środków unijnego programu Horyzont 2020.

I dopisało wam szczęście…

Te obserwacje nad podziw się udały. Udało nam się zmierzyć wielkość Haumei. Okazało się, że jest ona o kilkaset kilometrów większa niż dotąd sądzono. Obecnie szacuje się, że jej najdłuższa oś ma 2 300 km. Zastanawia też jej kształt. Haumea jest wydłużonym i spłaszczonym ciałem i to też jest nietypowe, ponieważ powinna osiągnąć figurę równowagi hydrostatycznej, czyli kształt kulisty lub elipsoidalny, jednak biorąc pod uwagę okres obrotu wokół osi (4 godziny), to powinna być jeszcze bardziej wydłużona niż zostało to zaobserwowane. Zatem jest coś ciekawego w tym ciele, w jego wnętrzu… Może jest zróżnicowane, tak jak Ziemia? Wiemy też, że jest ciemniejsza niż być powinna, odbija mniej więcej połowę światła słonecznego, które na nią pada. To oznacza, że nie jest zbudowana tylko z lodu, ale też z różnych skał. Ale wracając do obserwacji, najciekawsze było to, co wydarzyło się tuż przed i tuż po zakryciu, ponieważ w tych momentach gwiazda również odrobinę przygasła.

I to był sygnał, że wokół może być pierścień?

Jedynym możliwym wyjaśnieniem jest pierścień krążący w jej płaszczyźnie równika, która też pokrywa się z płaszczyzną orbity największego jej satelity. To odkrycie było o tyle zaskakujące, że jeszcze parę lat temu wydawało się, że tak małe ciała nie mogą mieć własnych pierścieni. Tymczasem Haumea jest trzecim tego typu obiektem, wokół którego odkryto pierścień. Może zatem jest to zjawisko powszechne, ale jak przypuszczamy nietrwałe. Szacuje się np. że pierścień wokół Chariklo, należącej do grupy centaurów (ciała 10 razy mniejszego od Haumei) istnieje mniej więcej od 100 lat. Inna sprawa to hipotezy dotyczące powstania pierścienia. Powierzchnia Haumei pokryta jest krystalicznym lodem, co jest nietypowe, bo w tej temperaturze i pod działaniem promieniowania kosmicznego lód powinien przejść do formy bezpostaciowej. To, że jest krystaliczny, oznacza, że został niedawno odsłonięty. A to znowu rodzi przypuszczenia, że coś musiało uderzyć w powierzchnię Haumei i odsłonić jej świeżą część. Być może były to jakieś satelity, które wybiły materię i uformowały pierścień.

Dla mnie zaskakujące jest to, że do wszystkich tych odkryć dochodzi poprzez skomplikowane obliczenia matematyczne. Obserwacje są w tym kontekście zaledwie wstępem do poważnych badań.

Tego typu obserwacje astronomiczne mogą prowadzić już miłośnicy astronomii; oczywiście jeśli tylko mają odpowiednio duży teleskop i kamerę wideo z dokładnym znacznikiem czasu. Wystarczy obserwować daną gwiazdę przynajmniej przez pół godziny i zarejestrować, kiedy ona przygaśnie. Dla dalszych badań ważne jest to, aby takich stacji badawczych było więcej. Wówczas, na podstawie zarejestrowanych sygnałów, można wyznaczyć kontur zakrywającego ciała. Cała reszta to obliczenia. Obecność satelity pozwala nam ustalić masę centralnego ciała, a jeśli znamy rozmiar i kształt, potrafimy obliczyć objętość. Z tych danych wyliczamy gęstość tego ciała niebieskiego, która dla nas jest celem ostatecznym – ona bowiem pozwala zajrzeć do wnętrza bez wysyłania sondy i bez wierceń.

Publikacja w Nature jest pewnym ukoronowaniem badań naukowych. Pani się to udało. Jak do tego doszło?

Na pewno na ten sukces zapracowaliśmy zespołowo. W projekcie pt. „Małe ciała daleko i blisko” współpracujemy razem z naukowcami z Hiszpanii, Niemiec i Węgier. Mój zespół w składzie: dr Przemysław Bartczak, dr Toni Santana-Ros, Magda Butkiewicz-Bąk i Grzegorz Dudziński zajmuje się fotometrią, czyli badaniem zmian blasku planetoid w zakresie światła widzialnego i modelowaniem ich cech fizycznych. Nasze badania pozwalają określić ich kształt, położenie osi rotacji, a nawet opisać ich strukturę. Grupa hiszpańska specjalizuje się w technice zakryć. Węgrzy i Niemcy są za to specjalistami w obserwacjach podczerwonych i modelowaniu termofizycznym, polegającym na badaniach ciepła emitowanego przez ciała niebieskie. Sama publikacja wymagała też zaangażowania i dużego nakładu pracy. Powiem tylko, że recenzenci w Nature są bardzo wymagający.