Fysiikan Nobel-palkinto vuodelta 2019 myönnettiin ”kontribuutiosta ymmärryksellemme maailmankaikkeuden evoluutiosta ja maapallon paikasta kosmoksessa”. Puolet palkinnosta sai kosmologi Jim Peebles, ja toinen puoli myönnettiin yhdessä Michel Mayorille ja kollegalleni Didier Quelozille ensimmäisestä auringon kaltaista tähteä kiertävän eksoplaneetan löytämisestä. Eksoplaneettoja vuosikymmenen ajan tutkineena tiedän, että tämä palkinto on kauan odotettu tunnustus yhdelle nykyaikaisen tähtitieteen suurimmista vallankumouksista, joka on muuttanut radikaalisti käsitystämme paikastamme maailmankaikkeudessa.
Eksoplaneetta eli ekstrasolaarinen planeetta on planeetta, joka kiertää aurinkokuntamme ulkopuolella olevaa tähteä. Tuhansien vuosien ajan monissa sivilisaatioissa ihmiset ovat pohtineet, onko maapallon ja aurinkokunnan ulkopuolella olemassa maailmoja. On nöyryyttävää tajuta, että tähän kysymykseen saatiin vastaus vasta 24 vuotta sitten.
Vuonna 1995 Mayor ja Queloz löysivät jättimäisen eksoplaneetan, joka kiertää aurinkoa muistuttavaa tähteä, 51 Pegasia. Planeetta, joka tunnettiin nimellä 51 Peg b, oli massaltaan samanlainen kuin Jupiter, mutta 100 kertaa lähempänä isäntätähteään, jolloin sen lämpötila oli yli 1 000 ℃. Löytö oli monella tapaa radikaali, eikä vähiten siksi, että se oli kaiken kaikkiaan niin erilainen kuin aurinkokuntamme planeetat, ja se oli ristiriidassa planeettojen muodostumista ja evoluutiota koskevien teorioiden kanssa.
Aurinkokunnassamme Jupiterin ja Saturnuksen kaltaiset jättiläisplaneetat ovat viidestä kymmeneen kertaa kauempana auringosta kuin Maa, ja niiden lämpötilat ovat alle -100℃. Jupiterin ja Saturnuksen ajateltiin muodostuneen kaasumaisessa kiekossa lapsena syntyneen auringon ympärille kaasua ja jäätä keräämällä, mahdollisesti jopa kauempana auringosta kuin ne ovat nyt. Näin lähellä tähteään sijaitsevan ”kuuman Jupiterin” löytyminen antoi ensimmäisen vihjeen siitä, että planeetat voisivat muodostua äärimmäisen moninaisilla muilla tavoilla aurinkokuntamme ulkopuolella.
51 Peg b:n löytyminen oli sekä teknologisen kyvykkyyden että sattuman tulosta. Ensinnäkin heillä oli käytössään yksi tuolloin maailman tarkimmista välineistä muiden tähtien valon aallonpituuksien mittaamiseen, ELODIE-spektrografi Haute-Provencen observatoriossa Etelä-Ranskassa. Mutta aika, joka tarvitaan todisteiden keräämiseen eksoplaneetan olemassaolon todistamiseksi, riippuu sen massasta, etäisyydestä tähdestä ja siitä, kuinka kauan sillä kestää kiertää kiertorata.
Olemassa olevat teoriat ja aurinkokuntamme malli merkitsivät sitä, että tutkijat eivät odottaneet löytävänsä suuria planeettoja, joiden kiertoradat olisivat lyhyitä ja jotka voitaisiin löytää nopeasti. Kukaan ei siis etsinyt niitä tuolloin aktiivisesti. Mayor ja Queloz toteuttivat pitkäaikaista ohjelmaa, jonka he arvelivat kestävän vuosia ennen kuin he löytäisivät planeetan toisen tähden ympäriltä. Mutta noin vuoden sisällä havaintojen aloittamisesta he löysivät ensimmäiset merkit siitä, että olemassa olevat planeettateoriat olivat epätäydellisiä.
Heidän löytönsä tehtiin käyttämällä tekniikkaa, jota kutsutaan radiaalinopeusmenetelmäksi. Kun planeetta kiertää tähteä, myös tähti liikkuu samanlaisella, mutta paljon pienemmällä radalla koko järjestelmän massakeskipisteen ympärillä. Toisin sanoen planeetan painovoiman veto tähteen saa sen heilahtamaan niiden välisen pisteen ympärillä.
Tämän liikkeen vuoksi tähden valo muuttuu Maasta katsottuna niin sanotussa Doppler-siirtymässä. Kun tähti liikkuu kohti havaitsijaa, sen valossa on pienempiä aallonpituuksia kuin silloin, kun tähti on paikallaan, jolloin valo näyttää sinisemmältä. Kun tähti liikkuu poispäin havaitsijasta, valo siirtyy pidemmille, punaisemmille aallonpituuksille.
Tällaisten aallonpituussiirtymien havaitseminen ajoittain osoittaa, että tähteä kiertää toinen kohde, tässä tapauksessa planeetta. Ja mittaamalla niitä ajan mittaan voit laskea nopeuden, jolla tähti liikkuu sinua kohti tai sinusta poispäin (radiaalinopeus) ja kuinka kauan planeetan kiertorata kestää. Maksimi säteisnopeus antaa osviittaa planeetan massasta, koska lähempänä tähteä sijaitsevat suuremmat planeetat saavat tähden liikkumaan nopeammin.
Jupiterin aiheuttaman auringon liikkeen maksimi säteisnopeus on 13 m/s, ja planeetan kiertorata kestää 12 vuotta. Tämä tarkoittaa, että Jupiterin kaltaisen planeetan massan ja täydellisen kiertoradan tarkka määrittäminen auringon kaltaisen tähden ympärillä veisi 12 vuotta käyttämällä valoa mittaavaa spektrografia muutaman m/s tarkkuudella. Maan kaltaisen planeetan löytäminen auringon ympäriltä olisi vielä vaikeampaa, koska suurin säteittäinen nopeus olisi vain 9 cm/s.
1990-luvun alussa Maan parhaat spektrograafit kykenivät yli 10 m/s:n tarkkuuteen, mikä tarkoitti, etteivät ne kyenneet havaitsemaan niin suuria, hitaita ja kaukana tähdestä olevia planeettoja kuin Jupiter. 51 Peg b oli kuitenkin Jupiterin kokoinen planeetta, joka oli 100 kertaa lähempänä tähteään ja jonka kiertorata kesti vain 4,2 päivää 12 vuoden sijaan. Tämä merkitsi sitä, että sen suurin säteittäinen nopeus oli huomattavasti suurempi, lähes 60 m/s, joka oli hyvin Mayor ja Quelozin spektrografin kantaman sisällä.
Havaittuaan ensimmäiset merkit planeetasta, jolla oli näin lyhyt kiertorata, nämä kaksi tiedemiestä tekivät lisähavaintoja ja yksityiskohtaisia analyysejä, jotka vahvistivat sen ominaisuudet, jonka nyt tiedämme kuumaksi Jupiteriksi, 51 Peg b:ksi. Huolimatta siitä, että tuloksiin kohdistui voimakasta tarkkailua, muut ryhmittymät vahvistivat nopeasti heidän havaintonsa käyttämällä muita instrumentteja.
Mayorin ja Quelozin vallankumouksellinen 51 Peg b:n löytö käynnisti seuraavien kahden vuosikymmenen aikana tähtitieteellisten havaintojen vyöryn, joka paljasti nykyisin tuntemiemme eksoplaneettojen yleisyyden ja monimuotoisuuden. Nyt tunnetaan yli 4 000 eksoplaneettaa, jotka kattavat koko skaalan planeettojen ominaisuuksista aina kuumista Jupitereista Maan kokoisiin planeettoihin, jotka ovat isäntätähtensä asuttavilla vyöhykkeillä. Tämä tarkoittaa, että on olemassa planeettoja, joiden pinnalla on todennäköisesti sopiva lämpötila nestemäisen veden esiintymiselle ja tuntemamme elämän kehittymiselle.