Życie dzięki orbicie
Generalnie wiadomo, czym jest orbita. To tor, po którym porusza się ciało niebieskie względem innego większego ciała lub grupy ciał, ponieważ między nimi istnieje przyciąganie grawitacyjne. Księżyc krąży po określonej orbicie wokół Ziemi, Ziemia – po swojej orbicie względem Słońca (podobnie inne planety Układu Słonecznego), a Słońce – wokół centrum naszej galaktyki, czyli Drogi Mlecznej. Nasza galaktyka też krąży wokół wspólnego środka ciężkości – Grupy Lokalnej Galaktyk, a Grupa Lokalna – wokół centrum Supergromady galaktyk w Pannie (Virgo). W kosmosie wszystko krąży, czyli orbituje. Nic nie pozostaje w spoczynku. Dzieje się tak dlatego, że każde ciało materialne zachowuje swój moment pędu. Jeśli tworzy się gwiazda, planeta, księżyc czy kometa, ten moment pędu jest w nie niejako pierwotnie wbudowany – wmrożony – i na zawsze decyduje o ich ruchu. W naszym Układzie Słonecznym planety, komety i asteroidy krążą wokół Słońca, za to księżyce wokół planet, ale razem z nimi też wokół naszej macierzystej gwiazdy. Czyli krążenie, a więc orbitowanie ciał niebieskich po określonych torach wokół innych większych ciał, jest immamentną cechą kosmosu. Oczywiście orbity, po których to wszystko wędruje, bywają bardzo różne i to jest bardzo interesujące.
Ciekawa ekscentryczność
Jeszcze Kopernik i Galileusz uważali, że orbity planet Układu Słonecznego są kołowe. Dopiero Johannes Kepler, tworząc swoje prawa ruchu planet, dowiódł, że dzieje się inaczej i orbity te są bardziej lub mniej eliptyczne. Inaczej mówiąc: ekscentryczne (odbiegające od kształtu kołowego). Jeżeli orbita ma mimośród (czyli ekscentryczność oznaczaną symbolem e) równy zeru, to jest kołowa, a jeżeli powyżej zera – to eliptyczna. Jeżeli mimośród ciała niebieskiego jest wyższy od jedności, orbita ciała niebieskiego pozostaje otwarta, a więc nie jest ono na trwałe związane z żadnym pobliskim większym obiektem.
Niedawno grupa astronomów z University of Leeds opublikowała w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” interesujący artykuł, z którego wynika, że w przypadku planet skalistych, takich jak nasza Ziemia, wyższa ekscentryczność orbit bardziej sprzyja utrzymaniu się na nich życia. Naukowcy przeprowadzili skomplikowane symulacje egzoplanet podobnych do Ziemi o dwóch parametrach orbitalnych. Dla jednego zestawu wyznaczyli orbity kołowe (e = 0), podczas gdy innym przypisano orbity wysoce ekscentryczne (e = 0,4) – znacznie większe niż ekscentryczność Ziemi (0,016). Określono również nachylenie jako zerowe i stały poziom rocznego nasłonecznienia. Po przeprowadzeniu symulacji obejmującej 30 lat każdego przypadku naukowcy sprawdzili, jak kształtuje się klimat w obu grupach egzoplanet. Obejmowało to równoleżnikowe i sezonowe zmiany w ich cyklu hydrologicznym (lód morski, śnieg na lądzie i chmury) oraz wskaźniki zdatności do zamieszkania na lądzie, np. temperaturę powierzchni i opady. Jak wskazali w swoim artykule, egzoplanety w grupie bardzo ekscentrycznych orbit miały aż o 25% większą powierzchnię lądową nadającą się do zamieszkania. Innymi słowy: planety o ekscentrycznych orbitach bardziej sprzyjają życiu niż te o orbitach kołowych, które doświadczają niewielkich zmian sezonowych. Wyniki te mogą mieć znaczące implikacje dla badań egzoplanet i poszukiwania światów nadających się do zamieszkania poza Układem Słonecznym.
Chwytanie na orbitę
Modele matematyczne wskazują, że nasze Słońce może przechwytywać na swoją orbitę ciała spoza Układu Słonecznego, i to z dość daleka. Zresztą dowodzą tego też nasze obserwacje. Przypomnijmy, że pierwszym znanym człowiekowi obcym obiektem, który wleciał w nasz Układ, była asteroida (lub tzw. martwa kometa) Oumuamua. Było to w 2017 r. Ten bolid o rozmiarach 400 × 50 m przyleciał do nas w odwiedziny z okolic gwiazdy Wega, oddalonej o jakieś 20 lat świetlnych. Oumuamua spadła jak grom z nieba po bardzo odchylonej orbicie hiperbolicznej (żadne ciało obserwowane dotychczas nie miało tak dużego mimośrodu orbity) z ogromną prędkością niemal 30 km/s. Zbliżając się do Słońca, coraz bardziej przyspieszała, aż w końcu osiągnęła 87,3 km/s. Zakręciła w okolicy naszej gwiazdy, po czym dalej po hiperboli ruszyła w głąb Układu, mijając po drodze kolejne planety. Już opuściła nasz kosmiczny dom: wyleciała z Układu Słonecznego w przestrzeń Galaktyki w stronę konstelacji Pegaza.
Dwa lata później astronom amator Giennadij Borisow odkrył pierwszą obcą pozasłoneczną kometę, którą nazwano 2I/Borisov (2I oznacza tu second interstellar). Nie ustalono, skąd przybyła, wiadomo jednak, że jest obca, na co wskazują dwa czynniki.
Pierwszy to trajektoria jej lotu. Przebiega po bardzo rozwartej hiperboli, co oznacza, że kometa nie jest satelitą okołosłonecznym. Drugi czynnik to prędkość przemieszczania się. Wkrótce po odkryciu astronomowie obliczyli, że 2I/Borisov pędzi z prędkością ok. 150 tys. km/h, czyli prawie 42 km/s, a takiego wyniku nigdy nie osiągają obiekty z naszego układu.
Nie ustalono dokładnie, jaki zakres ma grawitacyjny wpływ Słońca na Galaktykę, ale wydaje się, że rozciąga się on co najmniej do Obłoku Oorta, sfery bilionów lodowych obiektów, która otacza naszą gwiazdę w odległości większej niż 1 r.św. Miejsce to jest czasami uważane za zewnętrzną krawędź Układu. Okazuje się jednak, że przyciąganie grawitacyjne Słońca może uchwycić nadlatujące obiekty z odległości nawet 3,8 r.św., w tym komety międzygwiezdne, a nawet planety swobodne, czyli niezwiązane z żadną gwiazdą. To sprawiłoby, że Układ Słoneczny mógłby się znacznie powiększyć. Twierdzą tak Edward Belbruno z Yeshiva University w Nowym Jorku i James Green, fizyk i były główny naukowiec NASA. Ich obliczenia identyfikują miejsca równowagi grawitacyjnej między Słońcem a centrum Galaktyki, znane jako punkty Lagrange’a (lub punkty libracyjne). Podobne punkty istnieją też w naszym Układzie Słonecznym, gdzie np. przyciąganie grawitacyjne Ziemi i Słońca jest zrównoważone, i są one wykorzystywane do utrzymywania statków kosmicznych takich jak choćby Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w stałej pozycji. Dla tego zewnętrznego obszaru Słońca istniałyby zdaniem Belbruna i Greena dwa punkty wejścia, w których sfery grawitacyjne Galaktyki i naszej gwiazdy się równoważą, powodując, że obce obiekty mogą być przez nią pochwytywane na nietypową orbitę.
Planeta powstała z gwiazdy
Zazwyczaj planety powstają na orbicie wokół swojej gwiazdy z tego samego dysku pyłu, który tworzy samą gwiazdę, tak jak nastąpiło to w naszym Układzie Słonecznym. Ale odległe światy mogą prawdopodobnie powstać wewnątrz skazanych na zagładę gwiazd. Chodzi o układy podwójne składające się z typowej gwiazdy i towarzysza zwanego białym karłem. Białe karły to jądrowe pozostałości po ewolucji gwiazd podobnych do Słońca, które przechodzą w stadium czerwonego olbrzyma i tracą niemal całą swoją materię poza jądrem (taki los czeka też nasze Słońce). Jeśli układ gwiazda–biały karzeł jest stosunkowo bliski, oba obiekty będą się do siebie szybko zbliżać i w końcu siły pływowe małego, ale niezwykle masywnego białego karła rozerwą gwiazdę. Niewykluczone jednak, że w tej skazanej na zagładę gwieździe może powstać planeta. Twierdzą tak badacze nieba z Rochester Institute of Technology w Nowym Jorku. Przetestowali oni ten nieprawdopodobny pomysł, używając modeli planety o nazwie WD 1856+534 b, która krąży wokół białego karła ok. 80 l.św. od Ziemi. Planeta jest mniej więcej wielkości Jowisza, ale znajduje się niezwykle blisko swojej gwiazdy – to zaledwie 2% odległości Ziemi od Słońca. Przeprowadzone przez naukowców z Rochester modelowanie pokazało, że jeśli gwiazda ma odpowiedni rozmiar, jest nieco mniejsza od Słońca, to biały karzeł i ona zbliżą się do siebie na tyle, że orbita białego karła znajdzie się całkowicie wewnątrz gwiazdy. Rotacja białego karła wygeneruje wówczas również krążący wokół niego dysk materii zwany dyskiem akrecyjnym. Proces ten zacząłby wydmuchiwać zewnętrzne warstwy gazu otaczające parę gwiazd. Planeta mogłaby wtedy uformować się z dysku akrecyjnego – podobnie jak formują się zwykłe planety. Czy tak właśnie było w przypadku WD 1856+534 b, tego nie da się ustalić, natomiast wiadomo już, że takie narodziny raczej są możliwe.
Planety wokół białych karłów bardzo interesują badaczy, ponieważ białe karły są chłodne, co sprawia, że orbitująca wokół planeta musi być bardzo blisko, by mogła znajdować się w tzw. strefie ekologicznej, sprzyjającej życiu. Tak jak w przypadku WD 1856+534 b. Wprawdzie obiekt ten jest gazowym olbrzymem, ale może posiadać nadające się do zamieszkania księżyce. Jednocześnie białe karły są długowieczne i mało aktywne. To z kolei powoduje, że otaczające je planety mogą też przez miliardy lat istnieć niczym niezagrożone.