Obserwacje planetowid

Był czas, kiedy małe obiekty, krążące głównie między Marsem i Jowiszem, stanowiły dla obserwatorów prawdziwy kłopot. Tyle ich pojawiało się na kliszach fotograficznych, że wiele cennego czasu trzeba było poświęcić na sprawdzanie, czy są to rzeczywiście nowe obiekty, czy też po prostu odkyrty został obiekt znany już wcześniej.
Obecnie uległo to całkowitej zmianie. Badania planetoid (zwanych również asteroidami) stanowią fascynujący dział współczesnej astronomii, głównie dzięki wykorzystaniu najnowocześniejszych technologii. Umożliwiają one zastosowanie precyzyjnych krzywych zmian blasku, analizy spektralnej, a nawet pomiarów radarowych do określenia kształtów, składu chemicznego i rodzaju powierzchni planetoid; uzyskane w ten sposób informacje pozwalają stawiać hipotezy o pochodzeniu tych ciał.

Planetoidy pojawiają się w historii astronomii jako usilnie poszukiwane brakujące ogniwo, spełnienie eleganckiego prawa empirycznego. W 1766 roku Jan Daniel Titius z Wittenbergi przedstawił ciekawą formułę matematyczną, opisującą odległości kolejnych planet od Słońca.
Titius zauważył, że jeśli przyjąć odległość Saturna od Słońca za 100 umownych jednostek, to poszczególne planety znajdują się w odległościach: Merkury-4, Wenus-7 (4+3), Ziemia-10 (4+6), Mars-16 (4+12), Jowisz-52 (4+48) i Saturn-100 (4+96). Ciekawość Titiusa wzbudził brak planety, która zgodnie z regułą "podwajania i dodawania czterech" powinna znajdować się pomiędzy Marsem a Jowiszem, w odległości 28 jednostek (4+24).
Kampanię na rzecz poszukiwań nowej planety w miejscu wyznaczonym przez regułę Titiusa rozpoczął Johann Bodę, astronom i dyrektor Obserwatorium Berlińskiego. Robił to bardzo aktywnie, początkowo nawet z pominięciem autorstwa Titiusa, tak że formułę przez pewien czas określano mianem prawa Bodego. Obecnie jest ona powszechnie nazywana regułą Titiusa-Bodego.
W 1781 roku, gdy William Herschel odkrył Urana, okazało się, że odległość tej nowej planety pasuje bardzo dobrze do reguły, przewidującej 196 (4+192). Rzeczywista odległość Urana wynosi 191,8. Chociaż prawo Titiusa-Bodego jest prawem czysto empirycznym - nie podano bowiem dla niego żadnego teoretycznego wytłumaczenia - jego doskonała zgodność z obserwacjami spowodowała, że zostało ono powszechnie zaakceptowane. Następnym krokiem było przejście od "opisu" rzeczywistości do jej "przewidywania".
Między Marsem a Jowiszem wciąż brakowało obiektu, który wypełniłby w 100% regułę Titiusa-Bodego. W 1800 roku w Obserwatorium Lilienthal sześciu astronomów pod kierunkiem Johanna Schrotera utworzyło, jak sami nazwali swoją grupę, tzw. "Policję Niebieską" w celu odkrycia brakującej planety. W skład zespołu wchodzili m.in. Heinrich Olbers oraz Karl Harding. Do poszukiwań zaproszono także astronomów z innych ośrodków, wśród nich Giuseppe Piazziego z obserwatorium w Palermo na Sycylii.
Giuseppe Piazzi wyprzedził "Policję". W czasie pracy nad katalogiem gwiazd, 2 stycznia 1801 roku odkrył nieznany obiekt, który w ciągu następnych kilku nocy przesuwał się na tle gwiazd. Parametry orbity tajemniczego ciała zdawały się pasować do reguły Titiusa-Bodego, choć było ono zbyt małe jak na planetę. Nadano mu imię rzymskiej bogini Ceres.

Zdjęcie 1. Planetoida Westa sfotografowana przez sondę Dawn.

Dnia 28 marca 1802 roku Heinrich Olbers odkrył drugi obiekt, którego orbita, pomimo dużego mimośrodu (elipsa wydłużona bardziej niż orbity planet) i znacznego nachylenia do płaszczyzny ekliptyki, pasowała również do reguły Titiusa-Bodego. Nadano mu nazwę Pallas. Kiedy trzeci podobny obiekt (Juno) został odkryty 2 września 1804 roku przez Hardinga, a następnie czwarty (Westa) przez Olbersa, zaczęto się poważnie zastanawiać, co stało się z tajemniczą planetą. Czy między Marsem a Jowiszem rzeczywiście krążyła niegdyś duża planeta, która rozpadła się na mniejsze części, czy też może od początku znajdowały się tam małe ciała, którym nie udało się połączyć w dużą planetę. Nie znalazłszy odpowiedzi na te pytania, "Policja Niebieska" rozwiązała się po 11 latach, w czasie których nie udało się już odkryć żadnego nowego obiektu.
Elegancję matematyczną prawa Titiusa-Bodego zakłóciło odkrycie Neptuna (1846), którego odległość (300 umownych jednostek Titiusa) nie zgadza się z przewidywaniami reguły (388). Przypisywano jej duże znaczenie historyczne, należy jednak mieć na uwadze, że do dziś nie podano jej teoretycznego wytłumaczenia. Piazzi tak czy inaczej dostrzegłby Ceres, prędzej czy później odkryto by również inne planetoidy.

Prawo nadania nazwy nowo odkrytej planetoidzie przysługuje odkrywcy. Wcześniej jednak musi być wyznaczona orbita obiektu, przypisuje się także do niego kolejny numer. Znanych i nowo odkrywanych planetek jest tak wiele, że nawet nadawanie im tymczasowych oznaczeń stanowi dość skomplikowaną procedurę. Rok dzielony jest na 24 okresy, po pół miesiąca każdy, oznaczane kolejnymi literami alfabetu (z wyłączeniem litery I, używanej powszechnie jako cyfra rzymska w wielu zastosowaniach astronomicznych). Nowo odkryta planetoida otrzymuje na przykład oznaczenie 1985 QS, gdzie 1985 oznacza rok odkrycia, Q - szesnasty okres półmiesięczny (druga połowa sierpnia), a S - osiemnaste z kolei odkrycie w tym okresie. Część tych odkryć okazuje się po pewnym czasie obserwacjami znanych już wcześniej planetoid, natomiast innych obiektów nie udaje się już nigdy więcej dostrzec.

Zdjęcie 2. Mapa planetoidy Westa.

Między odkryciem a pełnym wyznaczeniem orbity upływa zwykle sporo czasu -zazwyczaj około trzech okresów orbitalnych. Dopiero wtedy planetoida otrzymuje kolejny numer, a odkrywca nadaje jej nazwę. Wyjątkowe są przypadki obiektów mających więcej niż jednego odkrywcę, gdy na przykład osoba, która pierwsza obserwowała planetoidę, nie zajmowała się potem wyznaczeniem jej orbity. Wówczas zaszczyt nadania nazwy może przypaść temu, kto obliczył parametry orbity.
Dwie grupy planetoid krążą wokół Słońca w specjalnych miejscach, zwanych punktami Lagrange'a, znajdujących się na orbicie Jowisza. Są to tzw. Trojańczycy - planetoidy, których nazwy tradycyjnie związane są z historią wojny trojańskiej. Jedna grupa - Grecy wraz z trojańskim "szpiegiem", planetoida 624 Hektor - wyprzedzają Jowisza w ruchu wokół Słońca w punkcie L4; druga grupa - Trojańczycy z greckim "szpiegiem" Patroklosem (nr 617) - podążają za Jowiszem w punkcie L5. W lipcu 1990 roku autor tej książki odkrył wraz z Henrym Holtem pierwszego marsjańskiego Trojańczyka - planetoidę 1990 MB.
Nazwy około 4000 ponumerowanych już planetoid odzwierciedla bardzo szeroki wachlarz zainteresowań odkrywców. Do najbardziej niecodziennych można zaliczyć planetoidę 2309 Mr Spock, nazwaną na cześć kota jej odkrywcy, który z kolei nosi imię postaci ze znanego serialu telewizyjnego (Star Trek).
Planetoidy noszą nazwy geograficzne (1125 Chiny, 2531 Cambridge), nazwiska znanych astronomów (1134 Kepler, 1501 Baade), odkrywców oraz poszukiwaczy planet (1996 Adams, 1997 Leverrier, 1604 Tombaugh), kompozytorów (1814 Bach, 1815 Beethoven, 1818 Brahms), astronautów (1772 Gagarin, 3352 McAuliffe), pisarzy (2984 Chaucer, 2985 Szekspir), rzadziej polityków (2807 Karol Marks).

Największą satysfakcją dla miłośnika astronomii jest dodawanie kolejnych planetoid do listy obiektów, które sam odnalazł. Satysfakcja jest tym większa, im słabsze i bardziej nieuchwytne planetoidy udaje się zaobserwować. Najlepszy okres do obserwacji planetoidy to czas jej opozycji, gdy znajduje się na niebie po przeciwnej stronie niż Słońce. Widać ją wtedy przez całą noc. Dobrze jest śledzić odkrytą planetoidę przez kilka tygodni, zaznaczając na schematycznych rysunkach jej zmieniające się położenie na tle gwiazd.
Z obserwacyjnego punktu widzenia planetoidy można podzielić na dwa typy, w zależności od rodzaju orbity. Obiekty "pasa głównego" mają orbity leżące w całości między Marsem a Jowiszem. Wśród nich znajdują się pierwsze cztery odkryte planetoidy: Ceres, Pallas, Juno i Westa. Inne, w szczególności z grup Apollo i Amora, w tym na przykład Icarus i Geographos, są bardzo interesujące dlatego, że ich peryhelia (punkty orbity położone najbliżej Słońca) znajdują się w pobliżu orbity Ziemi. Niektóre z tych obiektów zbliżają się co jakiś czas do Ziemi. W 1968 roku Icarus minął Ziemię w odległości 6 milionów km, natomiast w 1989 roku planetoida 1989 FC zbliżyła się do nas na odległość 800 tyś. km. Tego rodzaju obiekty stanowią wdzięczny obiekt obserwacji - ich położenie na tle gwiazd zmienia się wyraźnie w ciągu kilku zaledwie minut.

Najprostszym sposobem odszukania planetoidy na niebie jest posłużenie się mapką opublikowaną w jednym z czasopism astronomicznych, takich jak Sky and Telescope lub Astronomia. Mapki te ukazują okoliczne gwiazdy i tor planetoidy w postaci linii. Dodatkowe informacje zawierają zwykle jasność obiektu, którą można porównać z jasnością pobliskich gwiazd. Po zidentyfikowaniu w polu widzenia teleskopu gwiazd z mapki należy odszukać obiekt, który jest "nie na swoim miejscu". Identyfikacja wymaga potwierdzenia podczas kolejnych obserwacji, które wykażą ruch obiektu na tle gwiazd.
Po nabraniu wprawy w odszukiwaniu jasnych planetek, odnalezienie obiektów nieco słabszych, na przykład Eunomii czy Metis, nie powinno sprawić większej trudności. Oczywiście, obserwacje takich obiektów wymagają więcej czasu. Trudniej je zidentyfikować, trudniej także potwierdzić ich ruch na tle gwiazd. Jeśli w pobliżu planetoidy znajdują się dwie lub więcej gwiazd, stwierdzenie ruchu jest stosunkowo łatwe. Jeśli jednak w pobliżu świeci tylko jedna gwiazda, w dodatku o podobnej jasności co planetoida, identyfikacja może sprawiać kłopoty. W najgorszym wypadku, gdy w pobliżu planetoidy nie ma w ogóle gwiazd, stwierdzenie ruchu może wymagać kilku obserwacji w odstępie paru dni. Bardziej doświadczeni obserwatorzy mogą pokusić się o odszukiwanie słabych planetoid na podstawie pozycji obliczanych z elementów orbity, które zawierają takie wydawnictwa, jak na przykład "Minor Planet Circlars" czy "Efemerydy małych planet".

Zakrycia planetoid
Obserwacje planetoid stają się szczególnie interesujące - a także potencjalnie cenne dla zawodowych astronomów - kiedy następuje zjawisko zakrycia gwiazdy przez przesuwającą się przed nią planetoidę. Tzw. ścieżka zakrycia - obszar powierzchni Ziemi, z którego widać zakrycie - znana jest z dokładnością zależną od tego, jak precyzyjnie została wyznaczona orbita planetoidy. Zazwyczaj obserwatorzy znajdujący się w pasie około 300 km wokół centralnej linii określającej przebieg ścieżki zakrycia mają szansę dostrzec to zjawisko. Samo zakrycie może być niezwykle efektowne. Jeśli na przykład planetoida o jasności 11 mag. zakrywa gwiazdę o jasności 7 mag, to na kilka czy kilkanaście sekund blask gwiazdy zmaleje o cztery wielkości gwiazdowe. W przypadku niewielkich teleskopów może to oznaczać zniknięcie gwiazdy z pola widzenia. Zjawisko zakrycia trwa niedługo - zwykle krócej niż 30 sekund. Bardzo ważne jest precyzyjne określenie czasu początku i końca zjawiska - najlepiej użyć magnetofonu rejestrującego sygnały czasu z radia oraz, na ich tle, głos obserwatora sygnalizującego oba momenty zakrycia.
Do obserwacji zakrycia planetoidy trzeba się zawczasu dobrze przygotować. Używając mapki z atlasu nieba lub czasopisma astronomicznego, należy odszukać gwiazdę na 10-15 minut przed spodziewanym momentem zakrycia. Pozwoli to na ewentualne zarejestrowanie obecności nieznanego satelity planetoidy, który może spowodować drugie, wtórne zakrycie. Należy również pamiętać, że w czasie obserwacji tak krótkotrwałego zjawiska nie można sobie pozwolić na oderwanie się od okularu teleskopu nawet na chwilę.
Obserwacje zakryć są bardzo ekscytujące, ale może się zdarzyć, że nie uda się dostrzec tego zjawiska. Taka obserwacja też ma swoją wartość, ponieważ ustalenie dokładnej ścieżki zakrycia na powierzchni Ziemi pozwala lepiej wyznaczyć elementy orbity planetoidy.

Jeśli planetoida obraca się, widzimy coraz to inną jej część, przez co jej jasność się zmienia, niekiedy o ponad pół wielkości gwiazdowej; wówczas rotację można stwierdzić wizualnie. Niestety, amplituda zmian jasności większości planetoid jest zbyt mała, by obserwacje wizualne mogły ją wykryć, a tym bardziej zmierzyć. Jest to zadanie dla obserwatora wyposażonego w kamerę CCD lub fotometr.

David H. Levy - Wspomnienia z fotometrycznego badania planetoid na Kitt Peak
Do mojego pierwszego spotkania z profesjonalną astronomią obserwacyjną doszło pewnego pochmurnego jesiennego popołudnia, kiedy zadzwonił do mnie Clark Chapman z Instytutu Badań Planetarnych. Poszukiwano miłośnika astronomii z doświadczeniem obserwacyjnym, który zechciałby asystować w programie monitorowania zmian blasku niektórych jasnych planetoid. Przystąpiłem do tego zadania z pewnym wahaniem, niezbyt ufając swym zdolnościom do posługiwania się komputerem. Jak się okazało, nie było się czym niepokoić. W skład zespołu wchodzili, poza Clarkiem, trzej równie doświadczeni obserwatorzy planetoid: Stu Weidenschilling, Rick Greenberg i Don Davis. Obserwowaliśmy zawsze w parach. Procedura była dość prosta, choć sprzęt, jakiego używaliśmy, z początku wyglądał skomplikowanie. Używaliśmy teleskopu, zwanego "nr 2 36 cali", jednego z mniejszych reflektorów w obserwatorium na Kitt Peak. Z wszystkich czynności, jakie każdej nocy należało wykonać, najbardziej utkwił mi w pamięci prosty akt otwierania kopuły: przykrycie szczeliny rozsuwało się powoli na boki niczym skrzydła ptaka gotującego się do lotu, ukazując ciemniejące niebo, rozjaśnione jeszcze na zachodzie zorzą wieczorną.

Zdjęcie 3. Zmiana położenia planetoidy Pallas na tle gwiazd. Zdjęcie składa się z dwóch obrazów wykonanych w odstępie 1 godziny (2020.07.29 22:15 , 2020.07.29 23:15. Kamera: Meade LPI-G Advanced (tryb mono), optyka: obiektyw Tair-3S (70/300 mm), czes ekspozycji: 60 sekund). Autor: Tomasz Ramza.

Obserwacje rozpoczynaliśmy od znalezienia gwiazdy porównania dla pierwszej planetoidy. Kiedy tkwiła już w centrum pola widzenia fotometru, wykonywaliśmy trzy pięciosekundowe "integracje", podczas których fotometr zliczał fotony przychodzące z gwiazdy. Następnie przesuwaliśmy nieco teleskop, aby zmierzyć tło pobliskiego obszaru nieba. Wartość tła była później odejmowana od zliczeń gwiazdy. Podobne pomiary - obiektu i tła - były następnie wykonywane dla planetoidy. Chociaż dysponowaliśmy dokładnymi pozycjami obiektów naszych obserwacji, niekiedy musieliśmy sprawdzić, czy to, co uznaliśmy za planetoide, przesuwa się po niebie we właściwym kierunku.

Zdjęcie 4. Zbliżenie na ruch planetoidy Pallas na tle gwiazd. Zdjęcie przedstawia powiększony fragment z fotografi nr 3. Odstęp czasu pomiędzy dwoma zdjęciami wykorzystanymi w animacji wynosi 60 minut. Autor: Tomasz Ramza.

Tę samą procedurę pomiarową powtarzano dla dwóch innych par planetoida - gwiazda porównania. Pełny cykl obserwacji dla trzech planetek trwał około 10 minut i był wielokrotnie wykonywany; w ten sposób w ciągu godziny wykonywaliśmy 5-6 pomiarów dla każdej planetoidy. Dodatkowo należało przeprowadzić obserwacje sześciu gwiazd standardowych o doskonale znanych jasnościach, świecących na różnych wysokościach nad horyzontem. Jeżeli pogoda sprzyjała, prowadziliśmy obserwacje przez 4-5 godzin, a następnie zmienialiśmy zestaw planetoid i kontynuowaliśmy pracę aż do świtu.
Była to naprawdę ciężka praca.
Prowadzone w ten sposób obserwacje przyniosły w ciągu kilku lat ogromną liczbę danych w postaci krzywych zmian blasku wielu planetoid w różnych miejscach ich orbit. Udało się wyznaczyć okresy rotacji planetoid oraz określić w przybliżeniu ich kształty. Niektóre planetoidy wydają się składać z wielu skalnych fragmentów powiązanych dość luźno siłami grawitacji.
Realizując ten program, przeżyłem swoją najzimniejszą noc obserwacyjną. Chociaż temperatura nie była rekordowo niska, wynosiła około -10°C, pracowaliśmy wewnątrz kopuły, ściśnięci za terminalem komputera, przez ponad 13 godzin. Nigdy w życiu nie było mi tak zimno, jak wtedy. Jedyne dźwięki, jakie towarzyszyły obserwacjom, to odgłosy związane z ruchem teleskopu i kopuły, piszczenie terminala i, od czasu do czasu, nasze własne głosy, gdy informowaliśmy się nawzajem, że obiekt znalazł się już w centrum pola widzenia fotometru i można rozpoczynać integrację. Drugi komputer na bieżąco wyświetlał krzywe zmian blasku obserwowanych planetoid, mieliśmy więc od razu informację o rotacji obiektu. I chociaż wydawało mi się, że już nigdy nie uda się powrócić do normalnej temperatury, kiedy niebo na wschodzie zaczęło się rozjaśniać, poczułem, że zostałem dopuszczony do niektórych tajemnic planetoid.

Żródło:
David H. Levy - "Niebo. Poradnik użytkownika", wydawnictwo: Prószyński i S-ka