วิธีการพบดาวเคราะห์นอกระบบที่ได้รับรางวัลโนเบล

ภาพวาดของศิลปิน 51 Pegasi b ดาวเคราะห์นอกระบบดวงแรกที่พบโคจรรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์

(ภาพ: © NASA / JPL-Caltech)

Paul M. Sutter เป็นนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอโฮสต์ของ ถามนักบินอวกาศ และ วิทยุอวกาศและผู้เขียน "สถานที่ของคุณในจักรวาล"ซัทเทอร์สนับสนุนบทความนี้เพื่อ เสียงผู้เชี่ยวชาญของ Space.com: Op-Ed & Insights. 

รางวัลโนเบลล่าสุดในสาขาฟิสิกส์ ถูกแยกออกระหว่าง Jim Peebles นักดาราศาสตร์วิทยาเอกและนักดาราศาสตร์ชาวสวิสมิเชลเมเยอร์และดิดิเยร์เควลอซ

นายกเทศมนตรีและ Queloz พบคนแรก ดาวเคราะห์นอกระบบ การโคจรรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นการค้นพบที่สำคัญด้วยเหตุผลสองประการ: มันแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าดวงอาทิตย์ไม่ใช่ดาวดวงเดียวที่จะเป็นเจ้าภาพครอบครัวของดาวเคราะห์ (สิ่งที่เราคิดมานาน แต่ไม่เคยแสดงให้เห็น) และว่าจักรวาลเป็นจริง แปลกจริงๆ

การเริ่มต้น

ผู้อ่านระวังจะสังเกตในวรรคข้างต้นว่าฉันชัดเจนในถ้อยคำของฉัน: นายกเทศมนตรีและ Queloz ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบแรกที่โคจรรอบ sunlike ดาวไม่ใช่ ก่อนดาวเคราะห์นอกระบบตัวเอง. เครดิตนั้นไปที่ Aleksander Wolazczan และ Dale Frail ในปี 1992 และในความเป็นจริงพวกเขาได้ข้อตกลงแบบสองต่อหนึ่งโดยค้นหาดาวเคราะห์สองดวงที่โคจรรอบดาวดวงเดียวกัน

แต่ดาวนั้นแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับดวงอาทิตย์ของเรา มันเป็น พูลสาร์เป็นแกนกลางที่เหลือหมุนอย่างรวดเร็วและหนาแน่นจากดาวฤกษ์ที่เคยเป็นดาวยักษ์ พัลซาร์นั้นจะสาดลำแสงรังสีไปทั่วโลกอย่างสม่ำเสมอเช่นการกะพริบของประภาคารที่ห่างไกล - ดังนั้นชื่อ พูลสาร์. เมื่อดาวเคราะห์นอกระบบโคจรรอบแกนกลางที่ตายแล้วพวกเขาก็จะดึงพัลซาร์ออกมาเบา ๆ ทำให้มันกระดิกซึ่งจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความถี่ของพัลซาร์กระเซ็นบนโลก

แม้ว่านี่จะเป็นการค้นพบทางดาราศาสตร์ครั้งสำคัญ แต่ก็ไม่ได้เป็นอย่างที่เราต้องการ เราต้องการที่จะรู้ว่า - และยังคงต้องการที่จะรู้ว่า - ถ้ามีโลกอื่นออกมี และในขณะที่แนวคิดของดาวเคราะห์ที่รอดชีวิตจากการระเบิดของซูเปอร์โนวาและยังคงโคจรรอบแกนกลางที่เหลือเป็นปัญหาที่น่าตื่นเต้นที่จะไขปริศนามันไม่ได้ช่วยเราโดยตรงในการตามล่าของเรา ยิ่งไปกว่านั้นเทคนิคที่ใช้กับพัลซาร์นั้นอาศัยความถี่ปกติของพัลส์ซึ่งเป็นกลอุบายที่เราไม่สามารถใช้กับดาวทั่วไปได้

ทำให้เป็นกระแสหลัก

แต่เราต้องดูดาวตัวเองกระดิกและไม่กี่ปีต่อมาจนกระทั่งนักดาราศาสตร์ได้ทำให้เทคโนโลยีสมบูรณ์แบบเพื่อส่งมอบการวัดนั้น

เทคโนโลยีนี้ใช้สเปคโตรมิเตอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำหรับแยกแสงจากแหล่งที่อยู่ไกลออกไปสู่ส่วนประกอบจำนวนมาก (โดยทั่วไปเป็นรุ้งทางวิทยาศาสตร์มาก) ด้วยสเปกตรัมนั้นนักดาราศาสตร์เช่นนายกเทศมนตรีและเควโลซสามารถค้นหาลายเซ็นขององค์ประกอบที่เป็นที่รู้จักเช่นไฮโดรเจนและคาร์บอนจากรอยนิ้วมือที่พวกเขาทิ้งไว้ในสเปกตรัม จากที่นั่นพวกเขาสามารถจ้องมองดาววันแล้ววันเล่ามองหาการเปลี่ยนแปลงในสเปกตรัม

และการเปลี่ยนแปลงในสเปกตรัมนั้นสามารถเผยให้เห็นการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ได้ ผ่าน Doppler shift. การเปลี่ยนแปลงแบบเดียวกันที่ทำให้เกิดเสียงครวญครางของรถพยาบาลเพื่อเปลี่ยนระดับเสียงเมื่อมันผ่านไปโดยคุณเกิดขึ้นกับแสง เมื่อแหล่งกำเนิดแสงเคลื่อนที่เข้าหาคุณแสงจะถูกปรับเปลี่ยนไปตามความถี่ที่สูงขึ้นและมีความเบลอมากขึ้นและเมื่อแหล่งที่มาเคลื่อนไปจากคุณมันจะลดลงไปที่ความถี่ที่ต่ำกว่า

นี่ไม่ใช่เทคนิคใหม่ นักดาราศาสตร์วัดการเคลื่อนที่ของดาวดอปเลอร์เป็นเวลาเกือบสองร้อยปี

แต่ในปี 2538 นายกเทศมนตรีและเควลอสก้าวต่อไปอีกขั้นหนึ่งเพิ่มความแม่นยำของเครื่องดนตรีของพวกเขาให้อยู่ในระดับใหม่โดยมองหาการเปลี่ยนแปลงที่ใกล้เคียงที่สุด

หากดาวเคราะห์โคจรรอบดาวแรงโน้มถ่วงจากดาวเคราะห์ดวงนั้นจะดึงดาวเหมือนสายจูงสุนัขที่ดื้อรั้น ดาวจะไม่ขยับมากนัก - โดยปกติดาวฤกษ์จะมีน้ำหนักเกินกว่าดาวเคราะห์ของพวกเขาตามคำสั่งขนาดต่าง ๆ - แต่พวกมันจะยังคงเคลื่อนที่โดยหวังว่าจะตรวจจับได้ และในปี 1995 คู่ของ ผู้ชนะรางวัลโนเบลในอนาคตยืนยันการโยกย้ายไปมาอย่างไม่ผิดเพี้ยนในสเปกตรัมของดาว 51 Pegasi การโยกเยกที่อาจเกิดจากดาวข้างเคียงขนาดเล็กที่มองไม่เห็นซึ่งเป็นดาวเคราะห์นอกระบบในวงโคจร

น่าเบื่อที่สุด

ไม่มีอะไรที่น่าทึ่งเป็นพิเศษเกี่ยวกับ 51 Pegasi และนั่นคือสิ่งที่ทำให้การค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบที่นั่นน่าทึ่งมาก มันเป็นเพียงดาวฤกษ์ที่วิ่งมาไม่ถึงวันธรรมดาซึ่งนั่งห่างออกไป 50 ปีแสงโดยมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 10% และอายุสูงขึ้นเพียง 6 พันล้านปีเท่านั้น

มันเป็นดาวปกติใช้ชีวิตเป็นตัวเอกตามปกติโดยมีดาวเคราะห์อย่างน้อยหนึ่งดวงอยู่ในวงโคจรรอบ ๆ เช่นเดียวกับดวงอาทิตย์ของเรา

การค้นพบของนายกเทศมนตรีและเควโลซนำเราเข้าสู่ยุคใหม่ของการล่าดาวเคราะห์นอกระบบที่นำไปสู่การตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบที่ได้รับการยืนยันนับร้อยและในที่สุด พวกเขาเป็นเรื่องธรรมดามากในตอนนี้ที่การประกาศแทบไม่ได้เจาะข่าวและมันเป็นเพียงเรื่องของเวลาก่อนที่เราจะพบแฝดเหมือนโลก

บางคนชอบดาวพฤหัสบดีร้อน

แต่ดาวเคราะห์ที่กำลังโคจรอยู่ 51 Pegasi นั้นไม่เหมือนสิ่งที่เราเห็นในระบบสุริยะของเราและมันก็น่าประหลาดใจมากที่ปฏิกิริยาแรกอย่างหนึ่งของการค้นพบนั้นคือการโยนผลลัพธ์ทั้งหมดโดยรวมเป็นขยะ

แต่ผลลัพธ์ของนายกเทศมนตรีและเควโลซนั้นเถียงไม่ได้และเราต้องเผชิญหน้ากับความจริงที่ 51 Pegasi แสดงให้เราเห็น ดาวเคราะห์ของมันขนานนามในเวลา 51 Pegasi b และตอนนี้ได้รับชื่อดิมิเดียมโดย International Astronomical Union (แม้ว่านักดาราศาสตร์บางคนยึดชื่อ Bellerophon อย่างไม่เป็นทางการ) เป็นยักษ์แก๊สยักษ์ที่ค่อนข้างปกติมีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของดาวพฤหัสหรือ 150 เท่ามวลของโลก

และมันโคจรห่างจากดาวฤกษ์แม่เพียง 5 ล้านไมล์ (8 ล้านกิโลเมตร)

สำหรับบริบทนั้นยิ่งใกล้กว่าดาวพุธถึงเจ็ดเท่าสำหรับดวงอาทิตย์ของเรา

ก๊าซยักษ์ขนาดใหญ่ที่สามารถก่อตัวในเขตชานเมืองของระบบสุริยะได้อย่างไรซึ่งมีวัตถุดิบเพียงพอที่จะทำให้ดาวเคราะห์เป็นจำนวนมากตามสัดส่วนขนาดใหญ่ดังกล่าวทำให้ลมเข้าใกล้แม่อย่างไม่สบายใจ เรายังไม่แน่ใจอย่างแน่นอน แต่เราได้ชื่อที่ดีสำหรับพวกเขานั่นคือดาวพฤหัสร้อน

ด้วยการสังเกตการณ์เพียงครั้งเดียวนายกเทศมนตรีและเควลอซดึงกลอุบายสองอย่างออกมา พวกเขาเปิดตัวยุคใหม่ของการวิจัยทางดาราศาสตร์ในดาวเคราะห์นอกระบบและพวกเขาก็เข้าใจถึงการก่อตัวของดาวเคราะห์เป็นเวลาหลายทศวรรษ ไม่น่าแปลกใจที่พวกเขาชนะรางวัลโนเบล

• ดาวเคราะห์ต่างด้าวที่แปลกประหลาดที่สุดในรูปภาพ
• ร้อนสุดขีดและเหลือเชื่ออย่างไม่น่าเชื่อ: จูปีเตอร์ร้อนแรงต่อต้านทฤษฎีได้อย่างไร
• 10 ดาวเคราะห์นอกระบบที่สามารถเป็นเจ้าภาพชีวิตคนต่างด้าว

คุณสามารถฟังพอดแคสต์ Ask A Spaceman ได้iTunesและบนเว็บที่ http://www.askaspaceman.com. ถามคำถามของคุณใน Twitter โดยใช้ #AskASpaceman หรือทำตามพอล @PaulMattSutter และ facebook.com/PaulMattSutter. ติดตามเราบน Twitter @Spacedotcom หรือ Facebook.