Rok 1995, podobnie jak 1492, był początkiem ery odkryć. Nowi odkrywcy, zamiast używać statków pełnomorskich do odkrywania kontynentów, używają teleskopów do odkrywania planet krążących wokół odległych gwiazd. Tysiące takich planet pozasłonecznych, termin zwykle skracany do „egzoplanet”, zostało znalezionych, w tym kilka potencjalnie podobnych do Ziemi światów, wraz z dziwacznymi obiektami, które nie przypominają żadnej z planet w naszym Układzie Słonecznym.
Dwóch z tych odkrywców egzoplanet, Michel Mayor i Didier Queloz, otrzymało niedawno połowę Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie, którego dokonali w 1995 roku. Moi koledzy i ja jesteśmy zjednoczeni w naszym podziwie dla ich pionierskiej pracy i w naszej dumie, że kontynuujemy to, co oni zaczęli.
Jest jednak coś osobliwego w cytacie dotyczącym Nagrody Nobla. Jest tam napisane: „za odkrycie egzoplanety krążącej wokół gwiazdy typu słonecznego”. Czy nie powinno być napisane: pierwszej egzoplanety? Przecież setki astronomów odkryły już egzoplanety. Ja pomogłem znaleźć kilka z nich. Odkryli je nawet uczniowie szkół średnich i astronomowie amatorzy. Czy Komitet Noblowski popełnił błąd typograficzny?
Nie, nie popełnił, a tym samym zawiesił bajkę.
Tak jak problematyczne jest rozstrzygnięcie, kto odkrył Amerykę (Krzysztof Kolumb? John Cabot? Leif Erikson? Amerigo Vespucci, czyje nazwisko jest tym, które utkwiło w pamięci? Ci, którzy dziesiątki tysięcy lat temu przybyli pieszo z Syberii?), tak samo trudno jest powiedzieć, kto odkrył pierwszą egzoplanetę. Jest co najmniej pięciu wiarygodnych pretendentów, a rozważanie zalet każdego z nich jest zabawne i fascynujące. Udawajmy więc, że jesteśmy w Komitecie Noblowskim, którego zadaniem jest wyłonienie zwycięzcy.
Po pierwsze jednak, musimy zrozumieć sposób myślenia astronomów sprzed odkrycia egzoplanet. Oczekiwali oni, że wszystkie układy planetarne będą przypominać nasz własny Układ Słoneczny. Nie w każdym szczególe, ale przynajmniej w kilku ważnych aspektach: orbity planet są prawie okrągłe i leżą w tej samej płaszczyźnie, przy czym planety olbrzymie (jak Jowisz) znajdują się na zewnątrz, a planety skaliste (jak Ziemia) znacznie bliżej gwiazdy.
Przez wieki astronomowie opracowali teorię powstawania planet, która wyjaśniała, dlaczego te wzorce powinny być uniwersalne, jako nieuniknione konsekwencje procesów fizycznych zachodzących w wirującym wirze materii otaczającym nowo narodzoną gwiazdę. Kusi mnie, by opisać tę teorię, ale oszczędzę wam szczegółów, ponieważ wczesne odkrycia egzoplanet pokazały, że teoria ta jest błędna, a przynajmniej niekompletna. Wszystko, co musisz wiedzieć, to że to oczekiwanie było głęboko zakorzenione.
Potrzebujesz też wiedzieć, jak wykrywać egzoplanety. Pierwszą rzeczą, jakiej można spróbować, jest skierowanie teleskopu na gwiazdę i szukanie słabszych obiektów krążących wokół niej. Okazuje się to prawie niemożliwe: planety są zbyt słabe. Zamiast tego, pierwsze egzoplanety zostały wykryte dzięki obserwacji ruchu gwiazdy.
Dzieci uczone są, że planety krążą wokół Słońca, ale to małe białe kłamstwo. W rzeczywistości słońce i planety krążą wokół środka masy całego układu słonecznego. Jeśli zbudowałbyś model układu słonecznego w skali, leżący na płaskim dysku, środek masy jest tam, gdzie mógłbyś zrównoważyć dysk na palcu. Słońce jest najbardziej masywnym składnikiem Układu Słonecznego, więc zawsze jest blisko środka masy, ale trochę się przemieszcza. Planety wokół odległej gwiazdy również powinny powodować jej ruch. A to daje astronomom sposób na ich odnalezienie, wykorzystując efekt Dopplera.
Gdy poruszający się obiekt emituje fale – takie jak fale dźwiękowe lub świetlne – długość pomiędzy falami jest ściskana w kierunku do przodu i rozciągana w kierunku do tyłu. W przypadku dźwięku, długość fali określa wysokość dźwięku, co wyjaśnia, dlaczego syrena ambulansu obniża wysokość dźwięku, gdy ten przyspiesza. W przypadku światła, długość fali określa kolor. Kiedy gwiazda porusza się w naszą stronę, jej światło wydaje się nieco bardziej niebieskie, a kiedy się oddala, czerwienieje. Mówimy tu o zmianach rzędu kilku części na milion, lub mniejszych, dlatego do ich wykrycia potrzebny jest specjalistyczny sprzęt astronomiczny.
Jesteśmy już prawie gotowi do przeglądu kandydatów na odkrywcę pierwszej egzoplanety, ale jest jeszcze jedna rzecz. Powinniśmy zawczasu zdecydować, co rozumiemy przez odkrycie. To okaże się ważne.
Słownikowa definicja brzmi: „zdobyć wiedzę po raz pierwszy”. No dobrze, ale czym jest wiedza? W tym celu sięgamy do podręcznika filozofii, do rozdziału poświęconego epistemologii, gdzie dowiadujemy się, że wiedza to uzasadnione prawdziwe przekonanie. Naszym zadaniem jest więc zidentyfikowanie pierwszej osoby, która ma uzasadnione prawdziwe przekonanie o istnieniu egzoplanety.
Ponieważ musi to być prawda, nie musimy omawiać wszystkich fałszywych początków i złudnych twierdzeń, które zszargały reputację łowców planet przez dziesięciolecia. Wymagając, by było to uzasadnione, odsuwamy na bok szczęśliwych zgadywaczy. W 1953 r. Philip K. Dick napisał opowiadanie o planecie wokół gwiazdy Proxima Centauri, a w 2017 r. astronomowie wykryli taką planetę, ale Philip K. Dick jej nie odkrył.
Nasza odprawa jest już kompletna i możemy powitać pretendentów na ringu, w porządku chronologicznym.
W 1979 r. Gordon Walker i kilku kolegów z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej rozpoczęli poszukiwania planet. Był on światowym autorytetem w dziedzinie precyzyjnych obserwacji dopplerowskich. Swoje badania oparł na założeniu, że wszystkie układy planetarne przypominają Układ Słoneczny. Największe sygnały – a biorąc pod uwagę ograniczenia jego sprzętu, jedyne sygnały, które miał szansę wykryć – powinny pochodzić z planet olbrzymich, podobnych do Jowisza, który potrzebuje 12 lat, aby okrążyć Słońce. Oznaczało to, że Walker musiał zaangażować się w bardzo długoterminowy projekt.
Musiał również mieć nadzieję, że planety podobne do Jowisza są powszechne, ponieważ był w stanie monitorować tylko około 20 gwiazd. Aby rozszerzyć swoje poszukiwania, potrzebowałby więcej wsparcia od Telescope Time Allocation Committee, które nie nadeszło. Walker napisał później: „W dzisiejszych czasach dość trudno jest sobie uświadomić atmosferę sceptycyzmu i obojętności w latach 80-tych wobec proponowanych poszukiwań planet. Niektórzy ludzie uważali, że takie przedsięwzięcie nie jest nawet uprawnioną częścią astronomii.”
Mimo tych przeszkód, do 1988 roku udało mu się wykryć sygnał planety o masie Jowisza, która okrąża gwiazdę Gamma Cephei co 2,7 roku. Czy zatem Walker wygrywa nagrodę? Czy miał prawdziwe i uzasadnione przekonanie o istnieniu planety?
No cóż, było ono prawdziwe: istnienie planety zostało definitywnie potwierdzone w 2003 roku. Problem w tym, czy to przekonanie było uzasadnione w 1988 roku. Sygnał Walkera wyraźnie wyróżniał się z szumu, ale wciąż martwił się, że został oszukany. Sygnał dopplerowski mógł być spowodowany przez coś innego niż planeta. Być może the 2.7 rok wzór być od the gwiazda obracanie, raczej ruch. Słońce obraca się raz na miesiąc, ale Walker myślał, że Gamma Cephei jest olbrzymią gwiazdą, która może obracać się znacznie wolniej.
W pracy z 1992 roku, opartej na tych obawach, Walker wycofał się z twierdzenia, że sygnał z Gamma Cephei reprezentuje planetę. Jak się jednak okazało, gwiazda została źle sklasyfikowana. Nie jest to gwiazda olbrzymia. Walker dał się zwieść obawie, że oszukuje sam siebie. Jego ostrożność była naturalna, biorąc pod uwagę atmosferę sceptycyzmu graniczącego z wrogością. Może lepiej powiedzieć, że Walker wykrył planetę, ale nie do końca ją odkrył.
To prowadzi nas do naszego kolejnego pretendenta, Davida Lathama z Smithsonian Astrophysical Observatory. W 1989 roku on i jego współpracownicy zgłosili intrygujący sygnał dopplerowski wokół gwiazdy HD 114762. Sygnał był krystalicznie czysty. Jego charakterystyka była zgodna z ruchem orbitalnym, a niezgodna z rotacją.
Wydawałoby się, że jest to odkrycie typu slam-dunk. Rzeczywiście, HD 114762 znajduje się w obszernej bazie danych egzoplanet NASA, zarejestrowanej w 1989 roku jako rok odkrycia. To sześć lat przed Mayor i Queloz.
Dlaczego więc Latham nie uściśnie dłoni Króla Szwecji? Ponieważ w tamtym czasie, osiągnięcie Lathama nie było postrzegane jako odkrycie planety. Było kilka dziwnych rzeczy na temat domniemanej planety.
Po pierwsze, orbita nie jest bliska kołowej. Jest to elipsa z jednym wymiarem dwa razy dłuższym od drugiego – zupełnie inaczej niż w przypadku planet Układu Słonecznego. Po drugie, planeta jest 11 razy bardziej masywna od Jowisza, co wydawało się niewiarygodne. W rzeczywistości planeta może być jeszcze bardziej masywna, ponieważ metoda Dopplera mówi nam tylko o minimalnej możliwej masie planety. To dlatego, że gwiazda porusza się we wszystkich trzech wymiarach, ale efekt Dopplera powstaje tylko z jednego z tych wymiarów: ruchu w kierunku lub od obserwatora.
Wreszcie, orbita wydawała się zbyt mała dla olbrzymiej planety. Jest ona mniejsza niż jedna dziesiąta rozmiaru orbity Jowisza. Zgodnie z teorią powstawania planet, planety giganty nigdy nie powinny powstawać tak blisko gwiazdy. To domena małych, skalistych planet.
Latham uważał, że to może być planeta, ale niektórzy członkowie jego zespołu (i większość innych astronomów) uważali, że to naciągane. Ich praca z 1989 roku wspomina tylko o możliwości istnienia planety w drodze spekulacji. Bardziej prawdopodobne jest to, że jest to brązowy karzeł, rodzaj nieudanej gwiazdy, która nigdy nie zapoczątkowała reakcji syntezy jądrowej.
Dzisiaj jednak żadna z „osobliwości” HD 114762 nie jest uważana za osobliwą. Wiemy, że kilka procent gwiazd podobnych do Słońca posiada olbrzymią planetę o małej, bardzo eliptycznej orbicie. A niektóre z nich mają masy nawet 10, a nawet 20 razy większe od Jowisza.
Latham ma dobre twierdzenie, że jako pierwszy odkrył egzoplanetę, ale to tylko z naszej perspektywy czasu. Twierdzenie to było prawdziwe, i obszernie uzasadnione przez dane. Ale w tamtym czasie nie uwierzono w nie, z powodu uprzedzeń, że planety powinny wyglądać i zachowywać się jak planety w Układzie Słonecznym.
To, co nastąpiło później, było oszałamiającą niespodzianką. W 1992 r. Aleksander Wolszczan i Dale Frail ogłosili odkrycie dwóch planet o masie porównywalnej z Ziemią, wykorzystując wariację na temat metody Dopplera. Dowody były niepodważalne i przekonujące. Oszałamiające było to, że gwiazda nie jest zwykłą gwiazdą jak Słońce; to pulsar.
Pulsary są jednymi z najbardziej egzotycznych rzeczy we wszechświecie. Są one pozostałością po eksplozjach supernowych, które mają miejsce, gdy masywnej gwieździe zabraknie paliwa jądrowego i stanie się niestabilna. Pulsar pakuje masę całego Słońca w kulę o średnicy zaledwie 20 kilometrów, co sprawia, że jest tak gęsty, że przy jednym fałszywym ruchu zapadłby się i stał czarną dziurą. Ponadto może wirować setki razy na sekundę i wyrzucać z siebie fale radiowe, promienie rentgenowskie i śmiertelne dawki promieniowania.
Jak powinniśmy ocenić tego kandydata na pierwszą egzoplanetę? Twierdzenie było prawdziwe i uzasadnione. Wierzyła w nie i nadal wierzy społeczność astronomiczna. Jedynym problemem było to, czy obiekty krążące wokół pulsara powinny zostać zakwalifikowane jako planety.
Do tej pory roboczą definicją planety dla astronomów był obiekt o masie zbyt małej, by mógł być gwiazdą lub brązowym karłem. Odkrycie pulsara wymusiło bardziej ostrożną ocenę. Być może słowo planeta powinno być zarezerwowane dla obiektów orbitujących wokół normalnej gwiazdy, a nie gwiazdy zombie. (Teraz już rozumiesz, dlaczego cytat z Nagrody Nobla w 2019 roku odnosi się do „egzoplanety wokół gwiazdy typu słonecznego”.)
Niektórzy astronomowie upierali się, że planety muszą powstawać w wirującym wirze materii otaczającym młodą gwiazdę. To nie jest jednak miejsce, z którego pochodzą towarzysze pulsara. Przypuszczalnie uformowali się oni po wybuchu supernowej, ponieważ nie mogliby przetrwać katastrofalnego wybuchu energii. Być może część eksplodującej materii w końcu opadła z powrotem w dół i zaczęła krążyć wokół gwiazdy neutronowej, a planety uformowały się z tego materiału. Poważnym problemem z każdą definicją opartą na formacji jest to, że nie ma powszechnie uzgodnionej teorii powstawania „normalnych” planet.
W końcu astronomowie zaczęli swobodnie odnosić się do obiektów Wolszczana i Frail jako do planet. Natomiast planety pulsarowe były traktowane jak dziwolągi, a poszukiwania kolejnych okazały się jałowe i bezproduktywne. Wiadomo, że tylko jeden inny pulsar posiada planetę, a nawet w tym przypadku dowody nie są tak pewne.
To prowadzi nas do 1995 roku. Michel Mayor i Didier Queloz, dwaj astronomowie z Obserwatorium Genewskiego w Szwajcarii, udoskonalali technikę Dopplera. Wcześniej Mayor pomógł Lathamowi w obserwacji jego gwiazdy. Wtedy on i jego student Queloz postanowili sami zapolować na planety. Mieli niemal monopol na teleskop we Francji, co pozwoliło im monitorować więcej gwiazd niż Walker czy Latham.
Jedna z ich gwiazd, podobna do Słońca gwiazda o nazwie 51 Pegasi, poruszała się w tę i z powrotem z amplitudą 50 metrów na sekundę i okresem zaledwie 4,2 dnia. Sygnał ten sugerował istnienie planety o minimalnej masie pomiędzy Saturnem a Jowiszem. Była to masa, która sprawiła, że astronomowie poczuli się komfortowo. Mniej komfortowa była odległość orbitalna: tylko jedna dwudziesta odległości od Ziemi do Słońca.
To, jak twierdziło wielu teoretyków, nie było miejsce dla olbrzymiej planety. Znajdując się tak blisko gwiazdy, obiekt orbitujący wokół 51 Peg jest rozgrzany do tysięcy stopni. Mayor i Queloz odkryli coś, co miało być znane jako „gorący Jowisz”, typ planety uważany za niemożliwy w dominującej teorii formowania się planet.
Społeczność astronomiczna była sceptyczna, nie tylko z powodu sprzeczności z ich oczekiwaniami, ale także biorąc pod uwagę burzliwą historię tej dziedziny. Niektórzy obawiali się, że przesunięcia dopplerowskie są wynikiem pulsacji gwiazd, a nie ruchu orbitalnego; być może powierzchnia 51 Peg wybrzuszała się, a następnie opadała z powrotem w regularnym rytmie.
W ciągu następnych kilku lat wszystkie te obawy zostały jednak rozwiane. To była prawdziwa sprawa. Teoria formowania się planet musiała zostać zaktualizowana.
Mayor i Queloz byli pierwszymi, którzy mieli uzasadnione, prawdziwe przekonanie o istnieniu obiektu, co do którego wszyscy zgadzają się, że jest egzoplanetą wokół gwiazdy podobnej do Słońca. Co równie ważne, odkrycie 51 Peg miało taki sam efekt, jak pierwsze zauważenie niezbadanego i pozornie bezkresnego kontynentu. Wykładniczy wzrost liczby odkryć planet oraz liczby naukowców zajmujących się tą dziedziną rozpoczął się w 1995 roku. To dlatego Komitet Noblowski uznał, że Mayor i Queloz zasłużyli na naukowy reflektor (i pół miliona dolarów).
Zakładając czapkę pedanta, zauważę jednak, że twierdzenie, iż 51 Peg jest planetą, nie było w stu procentach uzasadnione. Pamiętajmy, że metoda Dopplera ujawnia jedynie minimalną masę orbitującego ciała – prawdziwa masa może być większa. Znacznie większa, jeśli jego orbita będzie prostopadła do naszej linii widzenia. Choć wymagałoby to bardzo mało prawdopodobnego zbiegu okoliczności, w tamtym czasie można było przypuszczać, że towarzysz 51 Peg jest w rzeczywistości brązowym karłem. W rzeczywistości jest to planeta. Prawdziwa masa została ostatecznie zmierzona inną techniką, która opiera się na wykrywaniu własnego światła planety, ale dopiero w 2015 roku.
Pierwszą egzoplanetą, dla której masa została zmierzona bez wątpliwości, jest HD 209458b. W tym przypadku, orbita planety przenosi ją bezpośrednio przed gwiazdę, powodując miniaturowe zaćmienie. To właśnie eliminuje zwykłą niepewność co do orientacji orbity. Zaćmienia zostały wykryte w 1999 roku przez dwie konkurujące ze sobą grupy, jedną kierowaną przez Davida Charbonneau, a drugą przez Gregory’ego Henry’ego. Ale choć technicznie było to bardziej ostateczne odkrycie, do tego czasu społeczność astronomiczna przestała wątpić w odkrycia 51 Peg i innych, podobnych obiektów.
Pedanteria na bok, warto również zauważyć, że pomimo wszystkich fałszywych początków, wykrywanie egzoplanet było jedną z tych rzadkich i wspaniałych okazji, kiedy projekt okazał się łatwiejszy niż przewidywano. Zazwyczaj zwycięża prawo Murphy’ego: wszystko jest trudniejsze i trwa dłużej, niż się spodziewasz. Tym, co ułatwiło sprawę w tym przypadku, było istnienie gorących Jowiszów, prezentu od natury, którego nikt się nie spodziewał. Gorące Jowisze wytwarzają największe sygnały dopplerowskie, które można wykryć i potwierdzić za pomocą danych z zaledwie kilku tygodni; nie trzeba czekać dziesięcioleci, jak sądził Walker.
W rzeczywistości nie jest do końca prawdą, że nikt nie spodziewał się gorących Jowiszy. W 1956 roku Otto Struve napisał krótki artykuł, w którym zauważył, że precyzja pomiarów dopplerowskich stała się wystarczająco dobra, by wykryć masywne planety, ale tylko wtedy, gdy istniały na małych orbitach. Odkładając na bok kwestię tego, jak taka planeta mogłaby powstać, zdał sobie sprawę, że nie istnieje żadne prawo fizyki, które zabraniałoby istnienia takich planet. Jego praca mogła zapoczątkować zupełnie nową dziedzinę astronomii, ale w rzeczywistości utknęła w martwym punkcie. Planeta wokół 51 Peg prawdopodobnie mogłaby zostać odkryta we wczesnych latach 60-tych, lub z pewnością przez Walkera w latach 80-tych, gdyby był on w stanie obserwować więcej gwiazd.
Staram się przypominać sobie tę historię, kiedy cierpię na nadmierny pesymizm. Nawet jeśli jakaś dziedzina została zszargana przez wcześniejsze twierdzenia, które okazały się błędne, nawet jeśli inni utalentowani ludzie próbowali już wcześniej, nawet jeśli teoretycy mówią ci, że twój pomysł jest mało prawdopodobny – wciąż może istnieć prawdziwie spektakularne zjawisko czekające na odkrycie.