Vår plats i kosmos

Vårt universum är närmare fjorton miljarder år gammalt, och har utvidgats från ett hett och tätt tillstånd som vi kallar big bang till det världsallt vi känner i dag fyllt av stjärnor och galaxer. Vi vet också att den materia som går att se i teleskop och olika instrument bara är ungefär fem procent av universums innehåll. Fem gånger mer, eller totalt 26 procent, är mörk materia – osynlig men med tyngdkraft som har betydelse för att galaxer skulle kunna bildas. Återstoden av det som fyller universum kallas för mörk energi, och är orsaken till att universums expansion accelererar.

Så ser dagens läroboksmodell för vårt universum ut. Kunskapen kommer bland annat från observationer av universums bakgrundsstrålning, det ljus som frigjordes efter big bang när materian svalnat tillräckligt för att bli genomskinlig.

Men när årets Nobelpristagare i fysik, James Peebles började intressera sig för universums uppbyggnad och utveckling fanns det inte mycket vetenskapliga data att luta sig mot. Peebles har därför varit en pionjär för det vi i dag vet om universum. Bland annat användes hans teorier av Arno Penzias och Robert Wilson vid Bell labs när de visade att bakgrundsstrålningen finns. 1965 brottades de nämligen med en oväntad störning av mikrovågsstrålning, som kom från alla riktningar i rymden. De hörde talas om att den unge James Peebles och forskargruppen som han ingick i hade förutsett att det skulle finnas en bakgrundsstrålning från universums barndom. De vände sig till dem för att förstå vad det var de hade upptäckt. (Penzias och Wilson fick Nobelpriset i fysik 1978 för upptäckten av den kosmiska bakgrundsstrålningen.)

Sedan dess har James Peebles kommit med viktiga bidrag inom de flesta stora framsteg som skett i utvecklingen av kosmologin till en kvantitativ vetenskap. Han beskrev bland annat hur kosmologiska parametrar skulle kunna utläsas ur de svaga variationerna i den kosmiska bakgrundsstrålningen. Han beräknade hur mycket materia som bildades vid universums födelse, och förstod att något i stil med mörk materia skulle behövas. Senare diskuterade han att den mörka materian borde vara ”kall”, det vill säga bestå av något som rör sig ganska långsamt, för att kunna bidra till att tätare områden bildas och galaxer kan uppstå. Han återinförde också den så kallade kosmologiska konstanten som Einstein hade haft med i ekvationerna för universum, men förkastat – nu visade den sig ha en viktig funktion i kosmologin och förknippas med den mörka energin.

För livsverket med alla bidrag till kosmologin belönas James Peebles med halva årets Nobelpris i fysik.

Didier Queloz och Michel Mayor trodde att de skulle kunna utforska dubbelstjärnor där den ena stjärnan var ganska liten. Möjligen, på längre sikt, trodde de att de skulle kunna upptäcka en planet. De blev helt förbluffade när de nästan omedelbart under sina försök hittade en planet, som dessutom kretsade nära sin stjärna – på bara en hundradel av Jupiters avstånd från solen. Att så stora planeter kretsar så nära en sol var inget någon forskare hade räknat med. Det blev startskottet för ett helt nytt forskningsfält.

– Om alla andra stjärnsystem hade sett ut som vårt solsystem skulle utforskandet av exoplaneter knappt ha börjat ens nu. Så det är ett bra trick av naturen att universum är fullt av planeter som inte alls är som de i vårt solsystem, säger Didier Queloz.

Didier Queloz var student, och jobbade på sin doktorsavhandling. Michel Mayor var hans handledare. De använde ett gammalt teleskop från 1950-talet, i ett observatorium som hotades av brist på anslag. Framgångsfaktorn var det nya instrumentet som de just hade försett teleskopet med: den nyutvecklade spektrografen Elodie.

– Vetenskap handlar väldigt mycket om att förstå vad apparaterna gör, och att kunna laga dem bra, säger Didier Queloz.

Med hjälp av spektrografen Elodie kunde de dela upp ljuset i hela regnbågen av färger.

Sedan Isaac Newton ställde upp sina lagar för krafter och rörelser har alla fysikstudenter lärt sig att Jupiter drar lika mycket i solen som solen drar i Jupiter. Tillsammans dansar de kring sin gemensamma tyngdpunkt. Den motsvarande rörelsen hos en avlägsen stjärna i rymden kan avslöja att den har en planet i omloppsbana.

Rörelsen avslöjas i stjärnans ljus. Vissa våglängder av ljuset från stjärnan absorberas i dess atmosfär, och ger karaktäristiska mörka linjer i stjärnans spektrum. Dessa linjer förskjuts lite åt det röda hållet när stjärnan rör sig bort från oss som betraktar den, och åt det blå hållet när den rör sig mot oss.

För att upptäcka en planet som Jupiter kring en stjärna som liknar solen behövs ett instrument som kan urskilja en variation från en rörelseändring på 13 meter per sekund. Dessutom behövs mätningar över minst 12 år, för så lång tid tar det för Jupiter att göra ett varv i sin bana. (Att upptäcka jorden från avstånd skulle vara ännu mycket svårare, den orsakar en skillnad på knappt 0,1 meter per sekund i solens rörelse över ett år.)

Med Elodie kunde Michel Mayor och Didier Queloz urskilja precis tillräckligt små förändringar i en stjärnas rörelse för att de nätt och jämnt skulle kunna avslöja en planet som Jupiter. Men bara om de kunde mäta i flera år. Nu hade de tillgång till teleskopet i en vecka i taget, med några månaders mellanrum.

Redan under den första mätperioden i september 1994 såg de något intressant, men det var så oväntat att de ville mäta mer innan de drog några slutsatser. Det verkade som om stjärnan vaggade fram och tillbaka med en period på bara 4,2 dagar. Kunde det verkligen vara en planet som gjorde det? Den måste i så fall vara extremt nära stjärnan.

– Ingen visste att sådana planeter fanns. Vi trodde att stora planeter bara kunde ha omloppstider på omkring tio år eller mer, säger Michel Mayor.

De fortsatte mäta, och kunde snart utesluta flera alternativa hypoteser.

23 november 1995 publicerade tidskriften Nature en kort artikel där Michel Mayor och Didier Queloz redovisade sin upptäckt. Redan innan rapporten publicerades hade de kommunicerat med två andra forskargrupper som bekräftade deras mätning. Kort därefter upptäcktes nästa exoplanet av samma typ.

Men många forskare var skeptiska och ifrågasatte resultatet, som ställde de rådande teorierna om planetbildning på ända. Det tog ungefär fem år tills det blev allmänt vedertaget att det faktiskt finns gasjätteplaneter som kretsar jättenära sina stjärnor. En sådan stjärna betecknas nu mera som ”het Jupiter”.

Numera är exoplaneter ett etablerat och mycket hett forskningsfält, och upptäckten från 1995 är belönad med ett Nobelpris. Mer än 4 000 exoplaneter har upptäckts hittills, och det blir hela tiden fler.