Nobelprisen i fysik for 2019 blev uddelt for “bidrag til vores forståelse af universets udvikling og Jordens plads i kosmos”. Halvdelen af prisen gik til kosmologen Jim Peebles, og den anden halvdel blev givet i fællesskab til Michel Mayor og min kollega Didier Queloz for den første opdagelse af en exoplanet i kredsløb om en sollignende stjerne. Som en person, der har brugt et årti på at studere exoplaneter, ved jeg, at denne pris er en længe ventet anerkendelse af en af de største revolutioner i moderne astronomi, en revolution, der radikalt har ændret vores opfattelse af vores plads i universet.
En exoplanet, eller ekstrasolær planet, er en planet, der kredser om en stjerne uden for vores solsystem. I tusindvis af år har mennesker i mange civilisationer undret sig over, om der findes verdener uden for Jorden og solsystemet. Det er ydmygende at indse, at dette spørgsmål først blev besvaret for blot 24 år siden.
I 1995 opdagede Mayor og Queloz en gigantisk exoplanet, der kredser om en sollignende stjerne, 51 Pegasi. Planeten, kendt som 51 Peg b, havde samme masse som Jupiter, men var 100 gange tættere på sin værtsstjerne, hvilket gav den en temperatur på over 1.000℃. Opdagelsen var radikal på mange måder, ikke mindst fordi den var helt anderledes end planeterne i vores solsystem og modsagde teorierne om planeternes dannelse og udvikling.
I vores solsystem er kæmpeplaneter som Jupiter og Saturn fem til ti gange længere væk fra solen end Jorden og har temperaturer på under -100℃. Man mente, at Jupiter og Saturn blev dannet i en gasformet skive omkring den spæde sol ved at ophobe gas og is, muligvis endnu længere væk fra solen, end de er nu. Opdagelsen af en “varm Jupiter”, der befinder sig så tæt på sin stjerne, gav den første antydning af, at planeter kunne dannes på en yderst forskelligartet række andre måder uden for vores solsystem.
Den opdagelse af 51 Peg b var et resultat af både teknologisk dygtighed og tilfældigheder. For det første havde de adgang til det, der på det tidspunkt var et af verdens mest præcise instrumenter til at måle bølgelængder af lys fra andre stjerner, ELODIE-spektrografen på Haute-Provence-observatoriet i Sydfrankrig. Men den tid, det tager at indsamle beviser for eksistensen af en exoplanet, afhænger af dens masse, dens afstand fra stjernen og hvor lang tid det tager den at gennemføre et kredsløb.
De eksisterende teorier og modellen af vores solsystem betød, at forskerne ikke forventede at finde nogen store planeter med korte baner, der kunne findes hurtigt. Så ingen ledte aktivt efter dem på det tidspunkt. Mayor og Queloz gennemførte, hvad de troede ville være et langsigtet program, som kunne tage år, før de fandt en planet omkring en anden stjerne. Men inden for ca. et år efter, at de havde påbegyndt observationerne, opdagede de de første tegn på, at de eksisterende planetteorier var ufuldstændige.
Deres opdagelse kom ved hjælp af en teknik, der er kendt som radialhastighedsmetoden. Når en planet kredser om en stjerne, bevæger stjernen sig også i en lignende, men meget mindre, bane om hele systemets massecenter. Med andre ord får planetens gravitationelle træk på stjernen den til at vakle omkring et punkt mellem dem.
På grund af denne bevægelse ændrer stjernens lys sig, når det ses fra Jorden, i det, der er kendt som et Doppler-skift. Når stjernen bevæger sig mod en observatør, har dens lys mindre bølgelængder, end når stjernen er stationær, hvilket får lyset til at fremstå mere blåt. Når stjernen bevæger sig væk fra observatøren, skifter lyset til længere, mere røde bølgelængder.
Detektering af sådanne bølgelængdeforskydninger indikerer med jævne mellemrum, at et andet objekt, i dette tilfælde en planet, kredser om stjernen. Og ved at måle dem over tid kan man beregne den hastighed, hvormed stjernen bevæger sig mod eller væk fra en (radialhastigheden), og hvor lang tid planetens kredsløb tager. Den maksimale radialhastighed giver dig et mål for planetens masse, fordi større planeter, der ligger tættere på stjernen, får stjernen til at bevæge sig hurtigere.
Solens bevægelse på grund af Jupiter har en maksimal radialhastighed på 13 m/s, og planetens kredsløb tager 12 år. Det betyder, at en nøjagtig bestemmelse af massen og den komplette bane for en Jupiterlignende planet omkring en sollignende stjerne ville tage 12 år ved hjælp af en lysmålingsspektrograf med en nøjagtighed på få m/s. At finde en jordlignende planet omkring en sol ville være endnu vanskeligere, fordi den maksimale radialhastighed kun ville være 9 cm/s.
I begyndelsen af 1990’erne var de bedste spektrografer på Jorden i stand til at opnå en præcision på over 10 m/s, hvilket betød, at de ikke var i stand til at opdage planeter så store, langsomme og langt væk fra en stjerne som Jupiter. Men 51 Peg b var en planet på størrelse med Jupiter 100 gange tættere på sin stjerne og havde en bane på kun 4,2 dage i stedet for 12 år. Det betød, at dens maksimale radialhastighed var betydeligt højere, nemlig næsten 60 m/s, hvilket lå godt inden for Mayor og Queloz’ spektrografs rækkevidde.
Når de to forskere havde fundet de første tegn på en planet med en så kort bane, foretog de to forskere yderligere observationer og detaljerede analyser, der bekræftede egenskaberne hos det, vi nu kender som den varme Jupiter, 51 Peg b. På trods af den intense kontrol, som resultaterne blev udsat for, blev deres resultater hurtigt bekræftet af andre hold, der brugte andre instrumenter.
Mayor og Queloz’ revolutionerende opdagelse af 51 Peg b udløste en lavine af astronomiske observationer i løbet af de næste to årtier, der afslørede den allestedsnærværelse og mangfoldighed af exoplaneter, som vi kender i dag. Der kendes nu over 4.000 exoplaneter, som spænder over hele spektret af planetariske egenskaber, lige fra varme Jupitere til planeter på størrelse med Jorden i deres værtsstjerners beboelige zoner. Det betyder, at der er planeter, som sandsynligvis har de rette temperaturer til, at der kan findes flydende vand på deres overflader, og at liv, som vi kender det, kan udvikle sig.