Michel Mayor és Didier Queloz személyében az első, Nap-típusú csillag körül keringő exobolygó felfedezőinek ítélte oda a Svéd Tudományos Akadémia a 2019-es fizikai Nobel-díj egyik felét, így ismét egy klasszikus csillagászati kutatást ismertek el a legrangosabb tudományos kitüntetéssel (a díj másik felét John Peebles kapta kozmológiai/elméleti fizikai eredményeiért). 1995-ös eredményük talán nem nevezhető szó szerint úttörő munkának, azonban egy hosszú ideje feltételezett sejtés bizonyításával világhódító útjára indították az exobolygókutatást. Pedig az általuk felfedezett 51 Pegasi b jelű bolygó még csak nem is az első volt az exobolygók hosszú sorában…
A ’70-es évekre a csillagászat már képes volt (jelen ismereteink szerint is) helyesen értelmezni a Galaxisunkban megfigyelt leggyakoribb objektumokat és az azokban (vagy éppen azok környékén) lezajló fizikai folyamatok feltárása sem váratott sokat magára. Így ekkora már az is rég világossá vált, hogy a Nap(rendszer) csak egy a Tejútrendszerben található milliárdok közül. A technika azonban még messze nem volt olyan szinten, hogy betekintést engedjen a csillagok szűkebb környezetébe, azok rendszerébe. Vagyis, bár joggal volt feltételezhető, hogy a bolygók más csillagok körül is gyakoriak, egyetlen ilyen exobolygót sem talál(hat)tak. Ugyanakkor már negyven éve is születtek tanulmányok arról, hogy kellene (majd) nekilátni az exobolygók felfedezésének. Mivel a bolygókat, saját fényük híján, teljesen elhomályosítja saját csillaguk fénye, így nem volt célszerű közvetlen detektálásra törekedni. A bolygó azonban, legyen bármilyen kicsi is a csillagához képest, hatással van annak fizikai paramétereire, így a csillag változásait megfigyelve következtethetünk a bolygó jelenlétére.
A bolygók ott vannak (csaknem) minden csillag körül, mégsem látjuk őket. (Forrás: M. Kornmesser/ESO)
Az egyik javasolt módszer azon alapult, hogy nem csak a csillag gravitációs ereje hat a bolygóra, keringési pályán tartva azt, hanem ugyanez fordítva is működik. Természetesen a bolygó kisebb tömege (és gravitációja) miatt a csillag jóval kisebb sugarú pályán fog keringeni – azonban ennek a kismértékű imbolygásnak is megmutatkozik a sebessége. A csillag színképe (más szóval spektruma) alapján kimutatható ez a periodikusan változó, hol közeledést, hol pedig távolodást okozó ún. radiális sebességgörbe. A detektorok fejlődésével a néhány km/s-os mérési pontosságtól mára eljutottunk az egészen elképesztő, m/s alatti (!) precizióig. Ez tehát annyit tesz, hogy egy fényévekre lévő, több százezer km átmérőjű, izzó gázgömb egyik bolygója hatására egy lassan sétáló ember sebességével mozog – mi pedig mindezt meg tudjuk mérni, anélkül, hogy látnánk, vagy akárcsak ismernénk az adott exobolygót.
Habár nem látjuk a bolygót magát (az ábra közel sem méretarányos), keringése során a gravtiációs ereje a csillagot is mozgásra kényszeríti. Utóbbi radiális (látórányú) sebességkomponense a színképvonalai elmozdulását okozza – ezt pedig már mérni tudjuk.
A másik módszer egy könnyebben elképzelhető fizikai folyamatot használ ki, ez pedig nem más, mint a napfogyatkozás csillagfogyatkozás. Ha egy bolygórendszerre épp megfelelő szögben látunk rá, akkor a bolygó csillaga előtti elhaladása (tranzitja) során kitakarja annak egy kis részét. Erről a részről nem érkezik hozzánk fény, vagyis a csillag mérhető fényessége lecsökken. Itt megint csak nagyon kis változásokat kell észlelni: ha például egy idegen civilizáció teleszkópokkal figyelné a mi Naprendszerüket, azt találná, hogy a Földünk tranzitja 0.008%-kal csökkenti le ideiglenes a Nap fényességét. Mi magunk a Kepler űrtávcsővel ettől is precízebb fényességméréseket tudtunk végrehajtani, és ezáltal bolygót ezreit felfedezni – mindezt úgy, hogy az radiális sebességmérésen alapuló módszerhez hasonlóan itt sem láttuk egyik bolygót sem.
Így nézne ki kellő távolságból a Föld elhaladása a Nap előtt. Mivel a csillagok a valóságban pontszerűnek látszanak, csak a fényességmérések (szórt fehér pontok) kismértékű csökkenését tudjuk detektálni. (Forrás: SPHERE Project)
Technikailag azonban az első exobolygó felfedezése nem a fenti módszerek révén történt, hanem egy harmadik, csak a speciális körülmények révén alkalmazható metódus ért először révbe. 1992-ben Aleksander Wolszcan lengyel és Dale Frail kanadai csillagászok nem is egy, hanem rögtön két bolygót azonosítottak egy csillag körül. Apró szépséghiba, hogy ez nem egy szokványos, hanem “halott” csillag volt: egy szupernóva robbanás után visszamaradt, gyorsan forgó neutroncsillag, azaz egy pulzár. A PSR 1257+12 jelű pulzár átlagosan 0,006219 másodpercenként villant fel a rádiótartományban, ez a pediódusidő azonban nagyon kismértékben, de szabályosan “lötyögött”. A számítások ezt a bolygók gravitációs rángatásának tudták be, ez alapján pedig a pulzártól 0,36 CSE-re (csillagászati egység = 150 millió km) egy 4,3 földtömegű, 0,46 CSE-re pedig egy 3,9 földtömegű bolygót azonosítottak. Az eredményt sokáig erős kételyek fogadták (nem sokkal korábban volt ugyanis egy hasonló, ám besült felfedezés is), többek között azért, mert nem volt világos, miként élhették volna túl a bolygók a mindent elsöprő szupernóva-robbanást. 1994-ben aztán egy újabb, jóval kisebb objektumot is azonosítottak a PSR 1257+12 körül, a tudományos közvélemény pedig elismerte az első exobolygó felfedezésének tényét – még ha ez nem is hozott óriási áttörést a csillagászat világában. Egészen 2003-ig nem is történt új felfedezés ezen a területen, sőt, mind a mai napig mindössze hét bolygót ismerünk négy pulzár körül; nem mondhatni tehát, elárasztanánk minket a halott csillagok körüli bolygók.
A PSR 1257+12 pulzár rendszeréről készült művészi ábrázolás. (Forrás: )
Nem sokkal később aztán a radiális sebességmérésen alapuló módszer is meghozta a maga gyümölcsét. 1993-ban az amerikai Artie Hatzes és William Cochran három jól ismert (szabad szemmel is látható) csillag, az Aldebaran, az Arcturus és a Pollux esetében is bolygókra utaló sebességváltozásokat detektáltak. A gond csak az volt, hogy mindhárom csillag ún. K színképtípusú óriás, az ilyen típusú csillagok pedig jelentős nem-radiális pulzációt mutatnak, amelyek szintén magyarázatot nyújthattak a megfigyelt sebességmodulációkra. Az említett kutatók a szakmai elveknek megfelelően óvatosan fogalmaztak publikációjukban és bár nyitva hagyták a lehetőséget arra, hogy valóban exobolygó nyomaira bukkantak, elismerték, hogy eredményeik nem tekinthetőek még felfedezésnek. A dolog pikantériája, hogy 2006-ban végül sikerült bebizonyítaniuk a Pollux körül bolygó létezését; a Pollux b (a kutató közösségtől a Thestias nevet kapta) tömege és paraméterei pedig pontosan megfeleltek annak, amit 13 évvel korábban feltételeztek.
A Hatzes és Cochran által használt 2,7 méteres távcsövő kupolája a texasi McDonald Observatory-ban. Bár a teleszkóp épp nem arrafelé néz, a háttérben lévő két fényesebb csillag a Castor és a Pollux az Ikrek csillagképből. (Forrás: Adrian New)
A hőn áhított első detektálás végül 1995-ben érkezett el. A Genfi Egyetem doktorandusz hallgatója, Didier Queloz a Franciaországban található Haute-Provence Observatory 1,9 méter átmérőjű teleszkópját használta radiális sebességgörbék kimérésére, témavezetője, Michel Mayor felügyelete mellett. A januári mérések során az egyik kiválasztott csillag, az 51 Pegasi jellegzetes sebességváltozást mutatott, mindössze négy napos periódussal. A számított paraméterek alapján az ezt kiváltó objektum a társcsillagnál jóval kisebb kellett, hogy legyen, nagyságrendileg a Jupiter tömegével összemérhető. Az 51 Pegasi egy ötven fényévre található, a Naphoz nagyon hasonló sárga csillag, amely nem mutat erős pulzációkat. A következő hónapok során a kutatóknak sikerült kizárniuk az összes szóba jöhető mérési hibát és alternatív magyarázatot, így 1995 októberében végre megjelenhetett a Nature folyóraitban a mérföldkőnek számító tanulmány: A Jupiter-mass companion to a solar-type star (2368 hivatkozás, az nem rossz…).
A tudományos eredmény maga: balra az 51 Pegasi csillagról készült nagyfelbontású egyik színkép, jobbra pedig a színképek időbeli változásából számolt radiális sebességgörbe (RV) egy periódusa. A negatív sebesség azt jelenti, hogy a csillag folyamatosan közeledik hozzánk, ez a közeledés viszont hol gyorsabb, hol pedig lassabb. Az ingadozás mindössze 100 m/s – ezt okozza a bolygó. (Forrás: Mayor & Queloz 1995)
Ha pedig egy üzlet beindul… A következő tizenöt évben főként a radiális sebességmérés révén több száz exobolygót sikerült felfedeznie a különböző kutatócsoportoknak. Michel Mayor maga is a technika javításán dolgozott, többek között a Chilében található La Silla Observatory HARPS spektrográfjának fejlesztése során, amellyel először sikerült elérni az 1 m/s-os detektálási álomhatárt. Didier Queloz a 2000-es években a WASP program egyik vezeője lett, amely során több kisebb méretű, de nagy látószögő robotizált távcsővel kerestek (és találtak) fényesebb csillagok körül keringő tranzitos exobolygókat (hasonlót hozott tető alá Dr. Bakos Gáspár és csapata is a HAT programmal). Mindketten aktívan részt vettek számos exobolygó felfedezésében. 2009-ben aztán jött a Kepler (tavaly pedig a TESS) űrtávcső és százával kezdtek el záporozni a tranzitos exobolygók detektálásai.
Mayor és Queloz egy 2005-ös felvételen, előttük a rangos Nature folyóirat egyik száma 1995-ből, amely címlapján hirdeti a felfedezésüket.
Az exobolygókutatás rövid időn belül óriásit fejlődött és máris kinőtte a jelenkori eszközök nyújtotta lehetőségeket. Az eddig felfedezett több, mint 4000 ezer megerősített (és még ugyanennyi van talonban) exobolygó többségének ismerjük a csillagától mért távolságát, becsült tömegét és méretét – további ismretek begyűtéséhez azonban a teleszkópok új generációjára lesz szükségünk. Ezeknek az eszközöknek a létrejöttét (khm, finanszírozását) részben a lassan huszonöt éve tartó exobolygó-mánia tette lehetővé, amelyhez Mayor és Queloz felfedezése tárta szélesre a kaput. Vagy, ahogy a Nobel-díjukhoz mellékelt indoklás fogalmazott: “hozzájárultak a Föld Világegyetemben elfoglalt helyének megértéséhez”.
A három újdonsült Nobel-díjas. (Forrás: Niklas Elmehed)
Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat – tudományról és science fiction-ről egyaránt.