Nagrodę Nobla z fizyki w 2019 r. przyznano za „wkład w nasze zrozumienie ewolucji wszechświata i miejsca Ziemi w kosmosie”. Połowa nagrody trafiła do kosmologa Jima Peeblesa, a druga połowa została przyznana wspólnie Michelowi Mayorowi i mojemu koledze Didierowi Quelozowi za pierwsze odkrycie egzoplanety krążącej wokół gwiazdy podobnej do Słońca. Jako ktoś, kto spędził dekadę na badaniu egzoplanet, wiem, że ta nagroda oznacza długo oczekiwane uznanie jednej z największych rewolucji we współczesnej astronomii, takiej, która radykalnie zmieniła nasze postrzeganie naszego miejsca we wszechświecie.
Eksoplaneta, czyli planeta pozasłoneczna, to planeta krążąca wokół gwiazdy poza naszym Układem Słonecznym. Przez tysiące lat w wielu cywilizacjach, ludzie zastanawiali się, czy światy istnieją poza Ziemią i Układem Słonecznym. Z pokorą uświadamiamy sobie, że odpowiedź na to pytanie została udzielona zaledwie 24 lata temu.
W 1995 roku Mayor i Queloz odkryli gigantyczną egzoplanetę krążącą wokół gwiazdy podobnej do Słońca, 51 Pegasi. Planeta, znana jako 51 Peg b, była podobna w masie do Jowisza, ale 100 razy bliżej swojej gwiazdy, co dało jej temperaturę ponad 1000 ℃. Odkrycie było radykalne na wiele sposobów, nie tylko dlatego, że było w sumie tak różne do planet w naszym układzie słonecznym i zaprzeczył teorii formacji planetarnej i evolution.
W naszym układzie słonecznym, gigantyczne planety, takie jak Jowisz i Saturn są pięć do dziesięciu razy dalej od słońca niż Ziemia i mają temperatury poniżej -100℃. Jowisz i Saturn myśleć w gazowy dysk wokoło the infant słońce przez akumulacja gaz i lód, możliwie nawet dalej od the słońce niż być teraz. Odkrycie „gorącego Jowisza” znajdującego się tak blisko swojej gwiazdy dostarczyło pierwszej wskazówki, że planety mogą formować się w niezwykle zróżnicowany sposób poza naszym Układem Słonecznym.
Odkrycie 51 Peg b było wynikiem zarówno technologicznej zręczności, jak i szczęścia. Po pierwsze, mieli dostęp do tego, co było w tym czasie jednym z najdokładniejszych na świecie instrumentów do pomiaru długości fali światła z innych gwiazd, spektrografu ELODIE w Obserwatorium Haute-Provence w południowej Francji. Ale czas potrzebny na zebranie dowodów potwierdzających istnienie egzoplanety zależy od jej masy, odległości od gwiazdy i czasu potrzebnego na wykonanie orbity.
Istniejące teorie i model naszego Układu Słonecznego sprawiały, że naukowcy nie spodziewali się znaleźć żadnych dużych planet o krótkich orbitach, które można by szybko odnaleźć. Nikt więc wtedy aktywnie ich nie szukał. Mayor i Queloz prowadzili, jak sądzili, długoterminowy program, który może potrwać lata, zanim znajdą planetę wokół innej gwiazdy. Ale w ciągu około roku od rozpoczęcia obserwacji, odkryli pierwsze oznaki, że istniejące teorie planetarne były niekompletne.
Ich odkrycie przyszło przy użyciu techniki znanej jako metoda prędkości radialnej. Kiedy planeta krąży wokół gwiazdy, gwiazda również porusza się po podobnej, ale znacznie mniejszej orbicie wokół środka masy całego układu. Innymi słowy, grawitacyjny uścisk planety na gwiazdę powoduje, że chwieje się ona wokół punktu pomiędzy nimi.
Z powodu tego ruchu, światło gwiazdy widziane z Ziemi zmienia się, co znane jest jako przesunięcie dopplerowskie. Kiedy gwiazda porusza się w kierunku obserwatora, jej światło ma mniejszą długość fali niż wtedy, gdy gwiazda jest nieruchoma, przez co światło wydaje się bardziej niebieskie. Kiedy gwiazda oddala się od obserwatora, światło przechodzi na dłuższe, czerwonawe fale.
Wykrywanie takich przesunięć długości fali okresowo wskazuje, że inny obiekt, w tym przypadku planeta, orbituje wokół gwiazdy. Mierząc je w czasie, można obliczyć prędkość, z jaką gwiazda porusza się w kierunku lub od nas (prędkość radialna) oraz jak długo trwa orbita planety. Maksymalna prędkość radialna daje miarę masy planety, ponieważ większe planety znajdujące się bliżej gwiazdy powodują, że gwiazda porusza się szybciej.
Ruch Słońca spowodowany przez Jowisza ma maksymalną prędkość radialną 13 m/s, a orbita planety trwa 12 lat. Oznacza to, że dokładne określenie masy i kompletnej orbity planety podobnej do Jowisza wokół gwiazdy podobnej do Słońca zajęłoby 12 lat przy użyciu spektrografu mierzącego światło z dokładnością do kilku m/s. Znalezienie planety podobnej do Ziemi wokół Słońca byłoby jeszcze trudniejsze, ponieważ maksymalna prędkość radialna wynosiłaby zaledwie 9 cm/s.
Na początku lat 90-tych, najlepsze spektrografy na Ziemi były zdolne do dokładności ponad 10 m/s, co oznaczało, że nie były zdolne do wykrycia planet tak dużych, powolnych i odległych od gwiazdy jak Jowisz. Jednak 51 Peg b była planetą wielkości Jowisza 100 razy bliżej swojej gwiazdy, z orbitą trwającą zaledwie 4,2 dnia, a nie 12 lat. To oznaczało, że jej maksymalna prędkość radialna była znacznie wyższa i wynosiła prawie 60 m/s, dobrze w zasięgu spektrografu Mayor’a i Queloz’a.
Po znalezieniu pierwszych oznak planety o tak krótkiej orbicie, ci dwaj naukowcy przeprowadzili dalsze obserwacje i szczegółowe analizy, które potwierdziły właściwości tego, co teraz znamy jako gorącego Jowisza, 51 Peg b. Pomimo intensywnej kontroli, jakiej poddano wyniki, ich odkrycia zostały szybko potwierdzone przez inne zespoły używające innych instrumentów.
Rewolucyjne odkrycie 51 Peg b przez Mayora i Queloza wywołało lawinę obserwacji astronomicznych w ciągu następnych dwóch dekad, ujawniając wszechobecność i różnorodność egzoplanet, które znamy dzisiaj. Obecnie znanych jest ponad 4000 egzoplanet, obejmujących całą gamę właściwości planetarnych, od gorących Jowiszów po planety wielkości Ziemi, znajdujące się w strefach zamieszkiwalnych swoich gwiazd. Oznacza to, że istnieją planety, które prawdopodobnie znajdują się w odpowiednich temperaturach, aby na ich powierzchni mogła istnieć woda w stanie ciekłym, a życie, jakie znamy, mogło się rozwinąć.