Πώς η Σχετικότητα του Αινστάιν αποκάλυψε νέο πλανήτη

Σύνοψη

• Η αποστολή TESS της NASA ανακάλυψε ένα νέο πλανητικό σύστημα χρησιμοποιώντας μια καινοτόμο, εναλλακτική μέθοδο ανάλυσης δεδομένων, ξεφεύγοντας από την παραδοσιακή παρατήρηση διαβάσεων.
• Οι αστρονόμοι αξιοποίησαν αρχές της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αινστάιν για να εντοπίσουν ανεπαίσθητες αλλαγές στη φωτεινότητα του μητρικού άστρου.
• Ο εντοπισμός κατέστη δυνατός μέσω του φαινομένου της “σχετικιστικής ακτινοβολίας” (Doppler beaming) και της ελλειψοειδούς παραμόρφωσης του άστρου λόγω των ισχυρών βαρυτικών αλληλεπιδράσεων.
• Η συγκεκριμένη προσέγγιση επιτρέπει πλέον τον εντοπισμό πλανητών που δεν περνούν ακριβώς μπροστά από το άστρο τους ως προς την οπτική γωνία της Γης.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) της NASA καταγράφει εδώ και χρόνια τον ουρανό, αναζητώντας νέους κόσμους πέρα από το Ηλιακό μας Σύστημα. Η πρωταρχική του λειτουργία βασίζεται στη μέθοδο της διάβασης (transit method), δηλαδή στον εντοπισμό της ελάχιστης μείωσης του αστρικού φωτός όταν ένας πλανήτης περνά ακριβώς μπροστά από το μητρικό του άστρο. Ωστόσο, τα δεδομένα που συλλέγει το τηλεσκόπιο αποδεικνύονται ένας πραγματικός θησαυρός πληροφοριών, καθώς οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν εξωπλανήτη που «κρυβόταν» στα ψηφιακά αρχεία, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά τους νόμους της φυσικής και συγκεκριμένα την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας.

Πώς η Σχετικότητα βοήθησε στον εντοπισμό του εξωπλανήτη

Η αποστολή TESS εντόπισε τον νέο εξωπλανήτη μετρώντας τη «σχετικιστική ακτινοβολία» (Doppler beaming). Καθώς η βαρύτητα του πλανήτη έλκει το άστρο του, το άστρο κινείται ελαφρώς προς τη Γη και έπειτα απομακρύνεται. Σύμφωνα με τον Αινστάιν, όταν το άστρο πλησιάζει, το φως του συγκεντρώνεται και φαίνεται φωτεινότερο, ενώ όταν απομακρύνεται, φαίνεται πιο αμυδρό, προδίδοντας έτσι την παρουσία του πλανήτη.

Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει τρία διακριτά φαινόμενα που αναλύθηκαν ταυτόχρονα από τους αστρονόμους προκειμένου να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη του ουράνιου σώματος:

• Σχετικιστική ακτινοβολία (Doppler Beaming): Όπως αναφέρθηκε, η ανεπαίσθητη κίνηση του άστρου προς την κατεύθυνση του τηλεσκοπίου προκαλεί μια αύξηση της φωτεινότητας των φωτονίων.
• Ελλειψοειδής παραμόρφωση: Όταν ένας πλανήτης έχει τεράστια μάζα (συχνά στην κατηγορία του Δία) και βρίσκεται σε εξαιρετικά κοντινή τροχιά, οι παλιρροϊκές δυνάμεις που ασκεί στο άστρο του το παραμορφώνουν. Το άστρο χάνει το τέλειο σφαιρικό του σχήμα και γίνεται ελαφρώς ελλειψοειδές, σαν μπάλα του ράγκμπι. Αυτό σημαίνει ότι, καθώς περιστρέφεται, η ορατή επιφάνειά του αλλάζει μέγεθος, προκαλώντας περιοδικές μεταβολές στη συνολική φωτεινότητα που καταγράφει το TESS.
• Αντανάκλαση: Ακριβώς όπως η Σελήνη αντανακλά το φως του Ήλιου, ο εξωπλανήτης αντανακλά το φως του μητρικού του άστρου. Παρότι η αντανάκλαση είναι απειροελάχιστη, οι σύγχρονοι αλγόριθμοι μπορούν να απομονώσουν αυτή την πρόσθετη φωτεινότητα όταν ο πλανήτης βρίσκεται στην κατάλληλη φάση πίσω από το άστρο.

Αυτό που καθιστά τη συγκεκριμένη ανακάλυψη κρίσιμη για το μέλλον της διαστημικής εξερεύνησης είναι ότι ο πλανήτης δεν εντοπίστηκε από κάποια νέα παρατήρηση, αλλά από την επανεξέταση υπαρχόντων δεδομένων. Οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης και οι νέες τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων επιτρέπουν στους ερευνητές να βρίσκουν πλανήτες που η γεωμετρία της τροχιάς τους δεν τους επιτρέπει να «κρύψουν» το άστρο τους από την οπτική γωνία της Γης.

Για την ακρίβεια, μόνο ένα μικρό ποσοστό εξωπλανητών είναι ευθυγραμμισμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να πραγματοποιεί διαβάσεις. Αναλύοντας τις παραλλαγές φάσης, την παραμόρφωση και τη σχετικιστική ακτινοβολία, οι επιστήμονες μπορούν θεωρητικά να αυξήσουν ραγδαία τον αριθμό των επιβεβαιωμένων κόσμων.