Az első exobolygó felfedezése

2019. október 19. - PFreddy

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...

1_ifgbqo_rkt-rrjzhhte62q.png

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.

planets_everywhere_artist_s_impression.jpgA 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.

bruisedtartisabellinewheatear-size_restricted.gifHabár 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.

sphere_sim_earth.gifÍgy 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.

artist_s_concept_of_psr_b1257_12_system.jpgA PSR 1257+12 pulzár rendszeréről készült művészi ábrázolás. (Forrás: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt)

 

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.

5003023.jpgA 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...).

spectcurve3.jpgA 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.

nature.jpgMayor 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".

phy-inside.jpgA 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.

A bejegyzés trackback címe:

https://csillagvizsgalo.blog.hu/api/trackback/id/tr315234138

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

]{udarauszkasz 2019.10.20. 18:16:28

Ezert joggal jart a Nobel-dij. Annak idejen azt hittek, hogy a Fold a kozpontja mindennek. Aztan azt hittek, hogy csak ez az egy Nap letezik, a tobbi csillag csak valami parazslo tuzecske, vagy lyukak a szferak szoveteben. Aztan rajottek, hogy megsem, de csak a mi csillagunk korul keringenek bolygok. Most azt hiszik, hogy csak ezen Naprdendszerben letezik elet....

Visceroid 2019.10.20. 19:30:44

@]{udarauszkasz: Én csak azt bírom, hogy olyan nagy elánnal bizonygatják, hogy a Földön kívül nem létezik élet, de hogy mi van a többi naprendszerben, arról senki nem tud semmit.

Kovacs Nocraft Jozsefne 2019.10.21. 08:13:58

"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."

Vagyis a közös tömegközéppont körül keringenek, csak ez átlagos körülmények között a csillag és a bolygó tömegének óriási hányadosa miatt nem tűnik fel, hiszen a tömegközéppont a csillag belsejében található.

Persze a dolog több bolygó esetén már jóval bonyolultabb, mivel a közös tömegközéppont a bolygók keringése és elliptikus pályája miatt állandóan vándorol. Viszont szerencsés esetben a radiális módszerrel így több bolygó jelenléte is kimutatható, sőt azok (a csillaghoz viszonyított) tömege és pályaadatai is kiszámíthatók. .

Ezt persze te nagyon jól tudod, a témában kevésbé járatos olvasók számára írtam ide.

PFreddy 2019.10.21. 08:23:51

@Kovacs Nocraft Jozsefne: Köszönet; a bejegyzés már így is elég dagályos lett, így amikor rájöttem, hogy az "imbolygás" szóval és egy gif-fel három mondatot is tudok spórolni, nem volt kérdés. :)

Kovacs Nocraft Jozsefne 2019.10.21. 09:11:15

@]{udarauszkasz:

Bizony érdekes és tanulságos folyamat. Először a Föld volt a középpont, aztán a Naprendszer, később a Tejút, majd rájöttünk, hogy százmilliárdnyi, a Tejúthoz hasonló galaxis található csak a látható univerzumon belül.

De már jó ideje sejthető, hogy a mi univerzumunk is csak egy a létező végtelen számú közül.

Ami az életet illeti, szerintem kevesen hiszik, hogy csak a Naprendszeren belül van élet. Az _intelligens_ élet valószínűségéről folynak a viták, hiszen rengeteg olyan esemény és körülmény vezetett az ember kialakulásához, amelyek megismétlődése teljesen kizárható. Persze ez hibás gondolkodás, mert bár a mi kialakulásunk szinte a csodával határos valószínűtlenségek eredménye, bizonyára milliónyi más módon is kialakulhatott volna intelligens élet a Földön, csak az épp nem a mai ember lenne. És természetesen e milliónyi mód mellett ezermilliárdnyi egyéb módon megtörténhetett volna az, hogy semmiféle értelmes élet nem alakul ki a Földön. :) Csak akkor nem lennénk itt, hogy ezen elmélkedjünk.

Az igazán érdekes kérdés számomra az, vajon az élet lehetősége az anyag alapvető tulajdonsága-e, vajon a (mi univerzumunkban érvényes) természeti törvények már eleve kódolják-e az életet.

Kovacs Nocraft Jozsefne 2019.10.21. 09:21:31

Egyszerűbben fogalmazva: vajon az élet egy emergens tulajdonság vagy pusztán véletlen? Én az előbbire hajlok.

]{udarauszkasz 2019.10.21. 09:36:55

@Kovacs Nocraft Jozsefne: en tovabb mennek : Szerintem az anyag es a tudatos elet olyan szinten kolcsonhat, hogy a tudat kepes kozvetlenul befolyasolni az anyagot, mint ahogy ez visszafele is igaz. Valami letrehozta ezt az univerzumot, eppugy, ahogy az ember megfigyelo tudata befolyasolja a megfigyelt kvantumrendszert. Es az anyag is befolyasolhatja a tudatot, pl. ugy, hogy a fejlodo agy, az emlekek es a gondolkodason keresztul az fejlodhet, valtozhat.

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2019.10.22. 15:10:07

Bámulatos hogy mire képes a technika. :-) 1 méter per másodperc sebesség változást érzékelni vagyunk képesek sok száz fényév távolságról. :-) Az exobolygó vadászoknak sok sikert és még több exobolygót kívánok. :-) Meg végre egy "pufóka ufókát", azaz földönkívülit. :-)

Ami pedig az akár csak sejtmag nélküli bakteriális Földön kívüli élet létét illeti. Méltatlanul keveset olvasott, idézett mű Gánti Tibor Az élet princípiuma c. könyve, alcíme emlékezetből Chemoton elmélet. Még bőven az átkosban adták ki, gyerek - serdülő fejjel olvastam. Egymásba kapcsolódó kémiai körfolyamatokkal magyarázza az egyébként szerintem kémikus alapvégzettségű szerző a földi élet lényegét, valamint katalizátorokkal (az amúgy vizes környezetben nagyon gyakori agyag ásványokra tippelt a szerző). Meg arra, hogy a legelső sejt automatákat az evolúció során a fejlettebb - összetettebb lények kiszorították (bár mióta az extremofíleket, az archeákat ismerjük a kiszorítás csak a mi szféránkból sikerült, a Föld mélye, az óceán középi hátságok fekete füstölgői, utóvulkáni gejzírek maradtak az élőhelyeik).

Viszont az elszomorító, torok szorongató, hogy amerre eddig a Földön kívül jártunk (Hold, Mars, pár aszteroida és az összes bolygónk, de azok már csak az űrből vizsgálva), életnek nyomát nem találtuk. :-(

Mi van ha ez a normális? Mi van ha csak mi vagyunk élők ebben a ménkű nagy univerzumban? Akkor talán jobban kellene vigyáznunk magunkra, egymásra, Földünkre, .... Amúgy ha nem vagyunk egyedül, akkor is ez lenne a normális. Szerintem. :-)

Kovacs Nocraft Jozsefne 2019.10.22. 19:06:27

@rdos:

"Bámulatos hogy mire képes a technika. :-) 1 méter per másodperc sebesség változást érzékelni vagyunk képesek sok száz fényév távolságról."

A távolságnak itt abszolút semmi szerepe nincs, 1km távolságból sem lenne könnyebb. Az egyetlen nehézséget a zaj jelenti, abból kell kiszűrni a vizsgált csillagból érkező fényt.

Alapvetően nem lenne nehéz interferometriás eszközökkel megmérni a csillag változó radiális sebességét, csak sajnos a csillag egyrészt forog a tengelye körül, másrészt a fényt kibocsájtó atomjai is bizony nagy sebességgel mozgolódnak, vagyis a színkép némiképp elmosódik. Így aztán a fázismérés nem oldható meg.

Ezért sokkal könnyebb a gravitációs hullámok mérése interferometriás módszerrel, hiszen itt lokális lézerforrást lehet használni.

Kovacs Nocraft Jozsefne 2019.10.22. 19:11:51

@rdos:

"amerre eddig a Földön kívül jártunk (Hold, Mars, pár aszteroida és az összes bolygónk, de azok már csak az űrből vizsgálva), életnek nyomát nem találtuk. :-("

Én ezt nem tartom elszomorítónak, hiszen a Naprendszerben egyedül a Föld található az ún. lakható zónában (habitable zone), vagyis nem is igazán várható, hogy máshol a földihez hasonló életet találjunk. Szerintem túlzottan optimisták azok a várakozások, hogy majd a Marson vagy egyes Jupiter-holdakon...

PFreddy 2019.11.13. 23:36:29

@Kovacs Nocraft Jozsefne: "A távolságnak itt abszolút semmi szerepe nincs, 1km távolságból sem lenne könnyebb. Az egyetlen nehézséget a zaj jelenti, abból kell kiszűrni a vizsgált csillagból érkező fényt. "

Való igaz.

"Alapvetően nem lenne nehéz interferometriás eszközökkel megmérni a csillag változó radiális sebességét, csak sajnos a csillag egyrészt forog a tengelye körül, másrészt a fényt kibocsájtó atomjai is bizony nagy sebességgel mozgolódnak, vagyis a színkép némiképp elmosódik. Így aztán a fázismérés nem oldható meg. "

Itt mire gondolsz az interferometria szerepével? Mármint, elég jól tudunk már most is radiális sebességet mérni, az interferometria nyújtotta szögfelbontás pedig vajmi keveset segítene.

Kovacs Nocraft Jozsefne 2019.11.14. 12:22:29

@PFreddy:

Nem a több távcső összekapcsolására gondolok, amit szintén interferometriának hívnak.

Arra gondoltam, hogy ha koherens fény érkezne, akkor a hullámhossz töredékének megfelelő eltérést is könnyen lehetne regisztrálni.