De Nobelprijs voor de natuurkunde van 2019 werd toegekend voor “bijdragen aan ons begrip van de evolutie van het heelal en de plaats van de aarde in de kosmos”. De helft van de prijs ging naar kosmoloog Jim Peebles, en de andere helft werd gezamenlijk toegekend aan Michel Mayor en mijn collega Didier Queloz voor de eerste ontdekking van een exoplaneet die om een zonachtige ster draait. Als iemand die een decennium lang exoplaneten heeft bestudeerd, weet ik dat deze prijs een langverwachte erkenning inhoudt van een van de grootste revoluties in de moderne astronomie, een revolutie die onze perceptie van onze plaats in het heelal radicaal heeft veranderd.
Een exoplaneet, of extrasolaire planeet, is een planeet die rond een ster draait die zich buiten ons zonnestelsel bevindt. Al duizenden jaren en in vele beschavingen vraagt de mens zich af of er werelden buiten de aarde en het zonnestelsel bestaan. Het is vernederend te beseffen dat deze vraag pas 24 jaar geleden is beantwoord.
In 1995 ontdekten Mayor en Queloz een reusachtige exoplaneet die om een zonachtige ster, 51 Pegasi, draaide. De planeet, 51 Peg b genaamd, was qua massa vergelijkbaar met Jupiter, maar stond 100 keer dichter bij zijn gastster, waardoor hij een temperatuur van meer dan 1000 ℃ had. De ontdekking was in veel opzichten radicaal, niet in de laatste plaats omdat hij totaal anders was dan de planeten in ons zonnestelsel en in strijd was met theorieën over planeetvorming en -evolutie.
In ons zonnestelsel staan reuzenplaneten zoals Jupiter en Saturnus vijf tot tien keer verder van de zon dan de aarde en hebben ze temperaturen van minder dan -100℃. Men dacht dat Jupiter en Saturnus in een gasvormige schijf rond de jonge zon waren ontstaan door opeenhoping van gas en ijs, mogelijk zelfs verder van de zon dan nu het geval is. De ontdekking van een “hete Jupiter” die zich zo dicht bij zijn ster bevindt, was de eerste aanwijzing dat planeten zich op zeer uiteenlopende manieren buiten ons zonnestelsel kunnen hebben gevormd.
De ontdekking van 51 Peg b was het resultaat van zowel technologische bekwaamheid als serendipiteit. Ten eerste hadden zij toegang tot wat toen een van de meest nauwkeurige instrumenten ter wereld was om de golflengten van het licht van andere sterren te meten, de ELODIE-spectrograaf van het Haute-Provence Observatorium in Zuid-Frankrijk. Maar de tijd die nodig is om het bewijs voor het bestaan van een exoplaneet te verzamelen, hangt af van de massa van de planeet, de afstand tot de ster en de tijd die de planeet nodig heeft om een baan af te leggen.
Door de bestaande theorieën en het model van ons zonnestelsel verwachtten wetenschappers geen grote planeten met korte omloopbanen te vinden die snel gevonden konden worden. Daarom was niemand er op dat moment actief naar op zoek. Mayor en Queloz waren bezig met wat zij dachten een langetermijnprogramma te zijn dat jaren zou kunnen duren voordat een planeet rond een andere ster zou worden gevonden. Maar binnen ongeveer een jaar nadat zij met hun waarnemingen waren begonnen, ontdekten zij de eerste tekenen dat de bestaande planetentheorieën onvolledig waren.
Hun ontdekking werd gedaan met behulp van een techniek die bekend staat als de radiale-snelheidsmethode. Wanneer een planeet rond een ster draait, beweegt de ster ook in een soortgelijke, maar veel kleinere, baan rond het massamiddelpunt van het hele systeem. Met andere woorden, de aantrekkingskracht van de planeet op de ster zorgt ervoor dat deze rond een tussenliggend punt gaat wiebelen.
Door deze beweging verandert het licht van de ster, gezien vanaf de aarde, in wat bekend staat als een dopplerverschuiving. Wanneer de ster naar een waarnemer toe beweegt, heeft zijn licht kleinere golflengten dan wanneer de ster stilstaat, waardoor het licht blauwer lijkt. Wanneer de ster zich van de waarnemer verwijdert, verschuift het licht naar langere, rodere golflengten.
Het periodiek waarnemen van dergelijke golflengteverschuivingen wijst erop dat een ander object, in dit geval een planeet, om de ster draait. En door ze in de tijd te meten, kun je berekenen met welke snelheid de ster naar je toe of van je af beweegt (de radiale snelheid) en hoe lang de omloopbaan van de planeet duurt. De maximale radiale snelheid geeft je een maat voor de massa van de planeet, omdat grotere planeten die dichter bij de ster staan de ster sneller doen bewegen.
De beweging van de zon ten gevolge van Jupiter heeft een maximale radiale snelheid van 13 m/s, en de omloopbaan van de planeet duurt 12 jaar. Dit betekent dat het nauwkeurig bepalen van de massa en de volledige baan van een Jupiter-achtige planeet rond een zonachtige ster 12 jaar zou kosten met behulp van een lichtmeetspectrograaf die tot op een paar m/s nauwkeurig is. Het vinden van een aardachtige planeet rond een zon zou nog moeilijker zijn omdat de maximale radiale snelheid slechts 9 cm/s zou bedragen.
In het begin van de jaren negentig waren de beste spectrografen op aarde in staat tot precisies van meer dan 10 m/s, wat betekende dat ze niet in staat waren om planeten te detecteren die zo groot, traag en ver van een ster verwijderd zijn als Jupiter. Maar 51 Peg b was een planeet ter grootte van Jupiter die 100 keer dichter bij zijn ster stond, met een omloopbaan van slechts 4,2 dagen in plaats van 12 jaar. Dit betekende dat zijn maximale radiale snelheid aanzienlijk hoger was met bijna 60 m/s, ruim binnen het bereik van de spectrograaf van Mayor en Queloz.
Nadat zij de eerste tekenen van een planeet met zo’n korte omloopbaan hadden gevonden, deden de twee wetenschappers verdere waarnemingen en gedetailleerde analyses die de eigenschappen bevestigden van wat wij nu kennen als de hete Jupiter, 51 Peg b. Ondanks de intense controle waaraan de resultaten werden onderworpen, werden hun bevindingen snel bevestigd door andere teams die andere instrumenten gebruikten.
Mayor en Queloz’s revolutionaire ontdekking van 51 Peg b leidde tot een lawine van astronomische waarnemingen in de volgende twee decennia, die de alomtegenwoordigheid en diversiteit van exoplaneten onthulden zoals we die vandaag de dag kennen. Er zijn nu meer dan 4000 exoplaneten bekend, die het hele spectrum van planetaire eigenschappen bestrijken, van hete Jupiters tot planeten ter grootte van de aarde in de bewoonbare zones van hun gaststerren. Dat betekent dat er planeten zijn die waarschijnlijk de juiste temperatuur hebben om vloeibaar water op hun oppervlak te hebben, en leven zoals wij dat kennen te laten ontstaan.