Nobel za planety pozasłoneczne – krótko i dość przejrzyście

Dwa tygodnie temu Komisja Noblowska uhonorowała odkrycie planety pozasłonecznej w układzie 51 Pegasi. Aby lepiej zrozumieć tę decyzję, przypomnijmy sobie jak wyglądały początki poszukiwań obcych światów i wyjaśnijmy czego właściwie dokonali Michael Mayor i Didier Queloz.

Celowo zwlekałem z tym tekstem. Wolałem zaczekać aż opadną emocje. Nie da się ukryć, że decyzja Sztokholmu o docenieniu Mayora i Queloza, przy jednoczesnym pominięciu Aleksandra Wolszczana była dla wielu osób sporym rozczarowaniem. Dla mnie również, choć szczerze mówiąc, nie jestem zaskoczony. Nazwisko toruńskiego astronoma tak naprawdę nigdy nie cieszyło się w świecie aż tak wielką sławą, jak byśmy sobie tego życzyli. Nawet w tym momencie mam pod ręką dwie książki zawierające rozdziały poświęcone zagadnieniu planet pozasłonecznych, i wiecie co? Pierwsza, wydana w 2004 roku, lakonicznie wspomina, że przed 1995 rokiem nie znano egzoplanet “z wyjątkiem kilku obiektów wielkości Ziemi w pozostałościach rozerwanych eksplozjami gwiazd”. Druga, z roku 2015, w ogóle ignoruje obserwacje Wolszczana, traktując jako jednoznaczny punkt startowy późniejszą pracę Mayora i Queloza. Rzecz jasna mowa o publikacjach popularnonaukowych – ogólnikowych i płytkich – jednak rozłożenie akcentów nie pozostawia wątpliwości.

Aby lepiej to wszystko zrozumieć cofnijmy się do początku lat 90. i prześledźmy badania, które zainaugurowały nową epokę w dziejach astronomii.

Planetą w płot

Wizualizacja pulsara.

Zacznijmy od konferencji Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego zorganizowanej na początku 1992 roku. Głównym punktem programu miało być wystąpienie Andrewa Lyne’a. Brytyjski astrofizyk cieszył się niemałą popularnością, jako kierownik zespołu, który kilka miesięcy wcześniej pochwalił się znalezieniem pierwszego dowodu na istnienie planety leżącej poza Układem Słonecznym. Uczeni doszli do takiego wniosku, analizując wyraźne sygnały docierające do Ziemi z oddalonego o 30 tysięcy lat świetlnych pulsara PSR 1829-10. Pulsary to zdegenerowane pozostałości martwych gwiazd, zachowujące się jak kosmiczny odpowiednik latarni morskich. Rotują z niezwykłą prędkością, a ich promienie cyklicznie jak w zegarku omiatają Ziemię zarysowując regularny wzór. W przypadku PSR 1829-10 Lyne wraz z kolegami dopatrzyli się zastanawiającej modulacji, którą zinterpretowali jako anomalię wywołaną obecnością dodatkowego ciała. Wydedukowali, że niewidoczny obiekt musi być znacznie mniej masywny od samego pulsara, ale prawdopodobnie większy od Ziemi. Otrzymane wykresy zwiastowały odkrycie pierwszej planety pozasłonecznej.

Na wspomnianym spotkaniu AAS w styczniu 1992, Andrew Lyne miał święcić triumf przedstawiając szczegóły przeprowadzonej detekcji. Zamiast tego, ku zdumieniu zgromadzonych gości, uczony publicznie przyznał się do… pomyłki. I to dość kuriozalnej. Zakłócenie dostrzeżone w złapanym sygnale nie wynikało wcale z tego, że pulsar okrąża jakaś planeta, lecz nieuwzględnionego ruchu obserwatora – obiegu Ziemi dookoła Słońca. Była to jedna z bardziej wstydliwych omyłek w XX-wiecznej astronomii. Jednocześnie Brytyjczycy wykazali postawę godną najwyższej pochwały: przyznali się do błędu, samodzielnie dokonali sprostowania i publicznie złożyli szczerą samokrytykę.

Pulsar PSR 1257+12

W tym samym czasie, gdy Lyne żegnał się z marzeniami o nieprzemijającej sławie, swój sukces otrąbiła para pracowników Obserwatorium Radioastronomicznego w Socorro w Nowym Meksyku – Aleksander Wolszczan oraz Dale Frail. Astronomowie kierowali właśnie nasłuchem innego pulsara, wykorzystując w tym celu monstrualną czaszę portorykańskiego radioteleskopu Arecibo.

Aleksander Wolszczan
Aleksander Wolszczan, współodkrywca planet pozasłonecznych w układzie PSR 1275+12.

Polak i Kanadyjczyk rejestrowali impulsy dobiegające z oddalonego o niespełna tysiąc lat świetlnych obiektu, oznaczonego jako PSR 1275+12. Podobnie do kolegów po fachu dostrzegli oni w sygnale radiowym modulacje wskazujące na chybotanie pulsara, co mogło dowodzić posiadania przezeń niewidocznego towarzystwa. Badacze musieli trzymać ekscytację na wodzy. Wystarczyła drobna nieuwaga, prosty lapsus w obliczeniach, żeby doszło do drugiej zupełnie nietrafionej interpretacji wyników. Możemy sobie tylko wyobrazić jak zareagowałoby środowisko astronomiczne, gdyby natychmiast po blamażu ekipy Lyne’a, wszczęto kolejny fałszywy alarm. Taka sytuacja nie tylko naraziłaby na śmieszność Wolszczana i Fraila, ale również rzuciłaby się cieniem na całą dyscyplinę poszukiwań planet pozasłonecznych.

Naukowcy podjęli ryzyko i na początku 1992 roku podzielili się swoimi wnioskami w czasopiśmie Nature. W artykule pod tytułem A Planetary System Around the Millisecond Pulsar PSR 1275+12, zawarli następującą interpretację pochwyconych sygnałów:

Precyzyjne pomiary impulsów niedawno odkrytego pulsara PSR 1275+12 o długości 6,2 ms, posłużyły do wykazania, że ​​wokół pulsara orbitują dwa lub więcej ciał wielkości planety. Wykryte do tej pory planety mają masy co najmniej 2,8 i 3,4 masy ziemi. Ich odległości od pulsara wynoszą kolejno 0,47 AU i 0,36 AU. Poruszają się one po niemal okrągłych orbitach z okresami 98,2 i 66,6 dni.

W ten sposób ogłoszono światu pionierską detekcję dwóch globów pozasłonecznych. Szmery w rejestrowanych promieniach radiowych pozwoliły ustalić, że gwiazdę neutronową po bardzo ciasnej orbicie okrążają co najmniej dwie duże planety. Ze zrozumiałych powodów odkrycie przyjęto sceptycznie, jednak kolejne analizy umocniły hipotezę. Obecnie wiemy, że układ PSR 1275+12 współtworzą trzy egzoplanety, czy raczej ich strzępy ocalałe po eksplozji supernowej. Nadano im upiorne imiona: Draugr, Poltergeist i Phobetor.

Sukces polsko-kanadyjskiego tandemu stanowił spory krok na przód. Do tej pory uczeni co najwyżej spekulowali na temat istnienia obcych układów planetarnych, a wielu wątpiło, że dostępne metody mają jakąkolwiek szansę na uchwycenie ich śladu. Dowód Wolszczana i Fraila był jedynie aberracją na wykresie, jednak niósł on ze sobą wystarczający bagaż informacji, aby traktować go poważnie. Polowania na niewielkie, ciemne i odległe ciała niebieskie, okazały się możliwe.

Planeta 51 Pegasi b

Apetyt rośnie w miarę jedzenia. Publikacja z 1992 roku stanowiła zachęcającą przystawkę, jednak rozochoceni koneserzy astronomii liczyli na danie główne. Układ PSR 1275+12 przypominał pogorzelisko: obdarte jądra planet smętnie okrążały truchło martwej gwiazdy. Świat nauki zaczął oczekiwać śladów istnienia systemów bardziej przypominających nasz własny. Oczywiście bezpośrednie zobaczenie planety nadal nie wchodziło w grę, toteż znów należało zdać się na metodę pośrednią.

Jak na pewno wiecie, światło, tak jak każdy przejaw promieniowania elektromagnetycznego, charakteryzuje pewna długość fali. Przykładowo nasze oczy interpretują bardziej rozciągniętą falę świetlną jako barwę cieplejszą, a krótszą jako bliższą fioletowi. Fizycy zauważyli też, że fala może ulegać kurczeniu i rozkurczaniu, zależnie od tego czy emitujący ją obiekt zbliża się czy oddala od obserwatora. To charakterystyczne zjawisko legło chociażby u podstaw badań Edwina Hubble’a. Wielki astronom dostrzegł, że widma odległych galaktyk pozostają przesunięte ku czerwieni, co było pierwszą przesłanką uprawdopodobniającą tezę o rozszerzaniu się wszechświata.

Metoda odkrycia planety pozasłonecznej 51 Pegasi
Dopplerowskie przesunięcie światła emitowanego przez gwiazdę.

Podobny mechanizm, choć delikatniejszy, miał pomóc w wykrywaniu egzoplanet. W jaki sposób?

Pomyślcie przez moment o Układzie Słonecznym. Ziemia wraz z innymi obiektami spokojnie posuwają się po orbitach pod grawitacyjną komendą Słońca. To mocno wyidealizowany obraz. W rzeczywistości Słońce przyciąga planety, podczas gdy planety na swój skromny sposób oddziałują na Słońce. Układ planetarny przypomina właściciela gromady ciekawskich psów, które co chwila szarpią za smycz wytrącając swojego pana z równowagi. Podobnie gwiazdy podlegają wychyleniom pod wpływem grawitacji towarzyszących im obiektów. Uczeni zrozumieli, że ten nieznaczny ruch skutkuje zbliżaniem i oddalaniem się od obserwatora. Fala świetlna emitowana przez taki obiekt, powinna zatem cyklicznie ulegać naprzemiennemu skracaniu i wydłużaniu. Okres pomiędzy maksymalnym ściskiem i rozciągnięciem widma, byłby skorelowany z okresem orbitalnym największej planety lub planet przypuszczalnie obiegających gwiazdę.

Nobel z fizyki 2019 dla Michaela Mayora i Didiera Queloza
Laureaci Nagrody Nobla z fizyki 2019 – Michael Mayor i Didier Queloz – na tle chilijskiego Obserwatorium La Silla.

Renomowane obserwatoria chciwie zwróciły się ku pobliskim gwiazdom wypatrując dokładnie takiego efektu. Na pierwszy promyk nadziei (nomen omen, w końcu mowa o analizie światła gwiazd), czekano trzy lata. Michael Mayor wraz ze swoim doktorantem Didierem Quelozem z Uniwersytetu Genewskiego, uzyskali szalenie interesujący sygnał pochodzący z gwiazdy 51 Pegasi w konstelacji Pegaza. Gruntowna analiza spektralna światła ujawniła, że w odległości 50 lat świetlnych od Ziemi (czyli bardzo blisko, w porównaniu z omawianymi wcześniej pulsarami), najprawdopodobniej znajduje się jakaś planeta.

Dane ucieszyły naukowców, ale również wprawiły w lekką konsternację. Choć oglądana gwiazda do złudzenia przypominała Słońce, to jej towarzysz oznaczony jako 51 Pegasi b, w niczym nie przypominał znanych nam globów. Z otrzymanych wykresów wyłaniał się obraz masywnej planety – gdzieś pomiędzy Saturnem a Jowiszem – orbitującej wokół własnej gwiazdy z ogromną prędkością, w odległości mniejszej niż 8 milionów kilometrów. Dla porównania: Merkury w swoim peryhelium zbliża się do Słońca na dystans 46 milionów kilometrów.

Obecność towarzysza 51 Pegasi o masie Jowisza, wynika z obserwacji okresowych zmian prędkości radialnej gwiazdy. Towarzysz leży zaledwie około osiem milionów kilometrów od gwiazdy, która w naszym Układzie Słonecznym znajdowałaby się na orbicie Merkurego. Obiektem tym może być gigantyczna gazowa planeta, która migrowała do tego miejsca poprzez ewolucję orbitalną lub powstała wskutek zdarcia wierzchnich warstw brązowego karła.

Było to niezwykłe, ale liczby mówiły same za siebie. W listopadzie 1995 roku Mayor i Queloz ogłosili wyniki swoich pomiarów w artykule A Jupiter-mass companion to a solar-type star.

Worek z planetami rozwiązany

Wkrótce inni astronomowie poszli w ślady Szwajcarów, identyfikując kolejne układy planetarne. Na początku szło to dość topornie. W ciągu dekady skatalogowano nieco ponad setkę przypuszczalnych planet pozasłonecznych. Z czasem poszerzeniu uległ również wachlarz metod obserwacyjnych.

Szczególnie dużą popularnością z uwagi na prostotę zyskała metoda tranzytu. Polega ona na śledzeniu okresowych zmian jasności gwiazdy, następujących gdy fragment jej tarczy przysłania planeta. Inny sposób zakładał sięgnięcie do efektu mikrosoczewkowania grawitacyjnego, przewidzianego i opisanego przez pracującego w Princeton Bohdana Paczyńskiego (jeśli znacie Wolszczana, a nie słyszeliście o Paczyńskim – wstydźcie się). Można to zrobić kiedy badany obiekt (w tym przypadku gwiazda z potencjalną planetą) leży pomiędzy obserwatorem (Ziemią) a jakąś odległą gwiazdą. Zgodnie z założeniami ogólnej teorii względności, grawitacja badanego obiektu wzmocni obraz leżącej w oddali gwiazdy. Otrzymujemy więc jasne tło, na którym łatwiej wypatrzeć zaburzenia. Brzmi skomplikowanie i zdecydowanie takie jest, niemniej mikrosoczewkowanie przez długi czas sprawdzało się wszędzie tam, gdzie inne metody nie zdawały egzaminu.

Metoda tranzytu.
Metoda mikrosoczewkowania.

Worek z egzoplanetami rozwiązał się na dobre wraz z przeniesieniem poszukiwań na orbitę. Działająca pomiędzy 2006 a 2013 rokiem europejska sonda COROT zarejestrowała ponad 500 obiecujących tranzytów. Z kolei pożegnany w 2018 roku Kosmiczny Teleskop Keplera zaskoczył nawet samych twórców identyfikując oszałamiającą liczbę 2,3 tysiąca nowych obiektów. Aktualnie główny ciężar badań spoczywa na następcy Keplera, czyli wystrzelonym w kwietniu 2018 roku teleskopie TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite).

W momencie gdy piszę te słowa, zgodnie ze statystykami prowadzonymi przez The Extrasolar Planets Encyclopaedia (tak, jest taka strona) w ciągu niespełna trzech dekad obserwacji poznaliśmy 4122 planety pozasłoneczne należące do 3063 układów. Co ciekawe, udało się nam uzyskać również pierwsze bezpośrednie fotografie odległych światów.

Ile jest planet pozasłonecznych?

Pierwszy Nobel z astronomii

Jeżeli spodziewaliście się jednego, konkretnego i naprawdę przekonującego argumentu przemawiającego za Nagrodą Nobla dla Michaela Mayora i Didiera Queloza, to muszę was rozczarować. Bez cienia wątpliwości, odkrycie 51 Pegasi b stanowi ważny moment w dziejach współczesnej astronomii. Ale czy było ono ważniejsze od pionierskiej pracy Aleksandra Wolszczana i Dale’a Fraila?

Niektórzy powiedzą, że planety krążące wokół pulsara nie robią takiego wrażenia i nie pobudzają wyobraźni tak mocno jak gorący Jowisz przynależący gwieździe podobnej Słońcu. Ale czy w takim razie nie powinniśmy jeszcze wyżej ocenić odkrycia, dajmy na to, pierwszej egzoplanety przypominającej Ziemię? Inni zwracają uwagę na technikę badania. W istocie, metoda Szwajcarów odcisnęła większe piętno na astronomii i pozwoliła na dokonanie kolejnych interesujących odkryć. Ale jeśli tak, to czy na docenienie nie zasłużył również nieżyjący już Bohdan Paczyński? Pomysł stosowania mikrosoczewkowania grawitacyjnego oraz zainicjowany przez profesora program OGLE, po dziś dzień służą nauce, wspomagając badania egzoplanet, pomiary rozkładu ciemnej materii i nie tylko.

Twardy orzech do zgryzienia. Może zabrzmi to dziwnie, ale sądzę, że Komisja Noblowska postąpiłaby najrozsądniej w ogóle nie nagradzając badań planet pozasłonecznych. Nie tylko dlatego, że pogodziłoby to samych zainteresowanych. Kiedy przyjrzymy się liście noblistów w dziedzinie fizyki (!), szybko spostrzeżemy, że prace astronomów nigdy nie należały do priorytetów (czy w latach 30. ktoś w ogóle myślał o Noblu dla odkrywcy Plutona, Clyde’a Tombaugha?). Co prawda badania wszechświata były kilkukrotne nagradzane, jednak niemal zawsze wiązało się to z ich znaczeniem dla kosmologii i fizyki teoretycznej. Osiągnięcia ściśle astronomiczne brano w rachubę skrajnie rzadko.

Pojawia się zatem pytanie, czy Nobel dla Mayora i Queloza nie otworzył puszki Pandory. Czy odtąd Komisja już zawsze będzie rozpatrywała również kandydatury astronomów? Czy obserwatorzy nieba, odkrywcy nowych ciał niebieskich i zjawisk kosmicznych będą odtąd częściej konkurować z fizykami? Jeśli tak, to w przyszłości czeka nas jeszcze wiele interesujących, ale i mocno dyskusyjnych Nagród Nobla.

Literatura uzupełniająca:
A. K. Wróblewski, Historia fizyki. Od czasów najdawniejszych do współczesności, Warszawa 2015;
S. Clark, Ale kosmos! Nieznany Wszechświat w dziesięciu rozdziałach, przeł. Ł. Lamża, Łódź 2019;
N. deGrasse Tyson, D. Goldsmith, Wielki początek. 14 miliardów lat kosmicznej ewolucji, przeł. P. Rączka, Warszawa 2007;
A. Wolszczan, D. Frail, A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257+12, “Nature”, vol. 355, styczeń 1992;
M. Mayor, D. Queloz, A Jupiter-mass companion to a solar-type star, “Nature”, vol. 378, listopad 1995;
Nobel 2019 z fizyki, wykład A. Pollo dla Narodowego Centrum Badań Jądrowych, [online: www.youtube.com/watch?v=Y3E5gPtbpts];
The Extrasolar Planets Encyclopaedia, [online: http://exoplanet.eu/catalog/].


5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o (zakończonej) misji sondy Cassini Życie pozaziemskie (nie) musi istnieć! Zagrajmy w czasoprzestrzenny bilard