Nobelpriset i fysik 2019 delas ut för ”bidrag till vår förståelse av universums utveckling och jordens plats i kosmos”. Hälften av priset gick till kosmologen Jim Peebles, och den andra halvan delades ut gemensamt till Michel Mayor och min kollega Didier Queloz för den första upptäckten av en exoplanet som kretsar kring en solliknande stjärna. Eftersom jag har ägnat ett decennium åt att studera exoplaneter vet jag att detta pris är ett efterlängtat erkännande av en av de största revolutionerna inom den moderna astronomin, en revolution som radikalt har förändrat vår uppfattning om vår plats i universum.
En exoplanet, eller extrasolär planet, är en planet som kretsar kring en stjärna utanför vårt solsystem. I tusentals år och i många civilisationer har människor undrat om det finns världar bortom jorden och solsystemet. Det är ödmjukt att inse att denna fråga besvarades för bara 24 år sedan.
1995 upptäckte Mayor och Queloz en gigantisk exoplanet som kretsar kring en solliknande stjärna, 51 Pegasi. Planeten, känd som 51 Peg b, hade samma massa som Jupiter men var 100 gånger närmare sin värdstjärna, vilket gav den en temperatur på över 1 000 ℃. Upptäckten var radikal på många sätt, inte minst för att den var totalt sett så annorlunda än planeterna i vårt solsystem och motsade teorier om planeters bildning och utveckling.
I vårt solsystem befinner sig jätteplaneter som Jupiter och Saturnus fem till tio gånger längre från solen än jorden och har temperaturer under -100℃. Jupiter och Saturnus tros ha bildats i en gasformig skiva runt den unga solen genom att ackumulera gas och is, möjligen ännu längre bort från solen än vad de är nu. Upptäckten av en ”varm Jupiter” som ligger så nära sin stjärna gav den första antydan om att planeter skulle kunna bildas på extremt många olika sätt utanför vårt solsystem.
Fyndet av 51 Peg b var ett resultat av både teknisk skicklighet och slumpen. För det första hade de tillgång till vad som vid den tiden var ett av världens mest exakta instrument för att mäta våglängder av ljus från andra stjärnor, ELODIE-spektrografen vid Haute-Provence-observatoriet i södra Frankrike. Men hur lång tid det tar att samla in bevis för att en exoplanet existerar beror på dess massa, dess avstånd från stjärnan och hur lång tid det tar för den att fullborda en omloppsbana.
De befintliga teorierna och modellen för vårt solsystem gjorde att forskarna inte förväntade sig att hitta några stora planeter med korta banor som kunde hittas snabbt. Så ingen sökte aktivt efter dem vid den tiden. Mayor och Queloz genomförde vad de trodde skulle vara ett långsiktigt program som kunde ta flera år innan de hittade en planet runt en annan stjärna. Men inom ungefär ett år efter att de påbörjat observationerna upptäckte de de första tecknen på att de befintliga planetteorierna var ofullständiga.
De gjorde sin upptäckt med hjälp av en teknik som kallas radialhastighetsmetoden. När en planet kretsar runt en stjärna rör sig också stjärnan i en liknande, men mycket mindre, bana runt hela systemets masscentrum. Med andra ord får planetens gravitationsdragning på stjärnan den att vackla runt en punkt mellan dem.
På grund av denna rörelse förändras ljuset från stjärnan när den ses från jorden, i en så kallad dopplerförskjutning. När stjärnan rör sig mot en observatör har dess ljus mindre våglängder än när stjärnan står stilla, vilket gör att ljuset framstår som mer blått. När stjärnan rör sig bort från observatören skiftar ljuset till längre, rödare våglängder.
Detektering av sådana våglängdsförskjutningar visar med jämna mellanrum att ett annat objekt, i det här fallet en planet, kretsar kring stjärnan. Och genom att mäta dem över tiden kan du beräkna med vilken hastighet stjärnan rör sig mot eller bort från dig (den radiella hastigheten) och hur lång tid planetens omloppsbana tar. Den maximala radialhastigheten ger dig ett mått på planetens massa eftersom större planeter som befinner sig närmare stjärnan får stjärnan att röra sig snabbare.
Solens rörelse på grund av Jupiter har en maximal radialhastighet på 13 m/s och planetens bana tar 12 år. Detta innebär att en exakt bestämning av massan och den fullständiga banan för en Jupiterliknande planet runt en solliknande stjärna skulle ta 12 år med hjälp av en ljusmätande spektrograf med en noggrannhet på några få m/s. Att hitta en jordliknande planet runt en sol skulle vara ännu svårare eftersom den maximala radialhastigheten bara skulle vara 9 cm/s.
I början av 1990-talet klarade de bästa spektrograferna på jorden av en noggrannhet på över 10 m/s, vilket innebar att de inte klarade av att upptäcka planeter som är så stora, långsamma och befinner sig så långt bort från en stjärna som Jupiter. Men 51 Peg b var en planet av Jupiterstorlek 100 gånger närmare sin stjärna, med en omloppsbana på bara 4,2 dagar i stället för 12 år. Detta innebar att dess maximala radialhastighet var betydligt högre, nästan 60 m/s, vilket låg väl inom räckvidden för Mayor och Queloz spektrograf.
När de hade hittat de första tecknen på en planet med en så kort omloppsbana gjorde de två forskarna ytterligare observationer och detaljerade analyser som bekräftade egenskaperna hos den som vi nu känner till som den heta Jupiter, 51 Peg b. Trots den intensiva granskning som resultaten utsattes för, bekräftades deras upptäckter snabbt av andra team som använde andra instrument.
Mayor och Queloz revolutionerande upptäckt av 51 Peg b utlöste en lavin av astronomiska observationer under de följande två decennierna som avslöjade exoplaneternas allestädes närvarande och mångfald som vi känner till idag. Nu känner man till över 4 000 exoplaneter, som spänner över hela skalan av planetariska egenskaper, från heta Jupiters till jordstora planeter i sina värdstjärnors beboeliga zoner. Det betyder att det finns planeter som sannolikt har rätt temperaturer för att flytande vatten ska kunna finnas på deras ytor och för att liv som vi känner det ska kunna utvecklas.