Exoplaneterna finns!

av Björn Stenholm

Sedan urminnes tider har vi funderat kring fjärran världar, befolkade eller ej, utan att kunna bevisa mycket om deras verkliga existens. Men det sena 1900-talets forskning visar verkligen - de finns. Vi kallar dem exoplaneter. Och vi upptäcker ständigt allt fler.

Vem har inte, ung eller gammal, stått under den stjärnklara himlen med dess tusentals ljusprickar och funderat på om stjärnorna däruppe har planeter kring sig och om de då möjligen är befolkade? Man kan gå långt tillbaka i tiden för att finna sådana tankegångar, men det är först under de senaste århundradena som forskningen har gett oss mer och mer material och tecken på att planeter kring fjärran stjärnor verkligen finns. Är de då befolkade? Ja, det vet vi ännu inget om, men varför inte? Låt oss dock nu inskränka oss till att studera planeterna själva och hur vi kommit dem på spåren.

Solen är en stjärna och tvärtom
Strukturen på vår egen astronomiska hemvist har klarnat väsentligt under några få hundratal år. Det kopernikanska "solsystemet" växte fram under 1500- och 1600-talen och att solen var en kropp liknande dem man såg som prickar på natthimlen kunde först bevisas med spektroskopets hjälp på 1800-talet. Detta solsystem som då kom fram ur forskningen har fått stå som modell när vi gett oss ut för att jaga liknande företeelser därute i djupa rymden. Ett tag, när den så kallade katastrofteorin för solsystemets uppkomst var förhärskande, var det dock så att existensen av andra planetsystem ansågs vara mycket osannolik. Under andra delen av 1900-talet övergavs denna teori till förmån för andra som innebar att planeter uppstod naturligt tillsammans med en stjärna av så att säga det material som blev över när en stjärna bildades. Även om detta har varit en teori som är svår att styrka, pekar mycket på att så bör det gå till. Planeter bildas tillsammans med stjärnor och då bör också planeter vara vanliga i stjärnevärlden. Upptäckten av stoftmoln kring stjärnor, de mest kända exemplen är Beta Pictoris och Vega, som gjordes på 1980-talet styrkte denna uppfattning.

Observationella begränsningar
Om det nu är så att vi misstänker att det finns gott om exoplaneter därute, hur ska vi då gå tillväga för att finna dem? Redan enkla överväganden leder snabbt till att detta kommer att bli svårt. Med vårt eget solsystem som enda kända modell inser vi att planeterna är mycket små i förhållande till solen. Den förkrossande delen av solsystemets massa finns dessutom i solen själv. Vidare lyser planeterna endast med reflekterat solljus. Att därför upptäcka en mycket svagt lysande kropp i närheten av en ljus stjärna och att allt detta befinner sig på mycket stort avstånd från oss ställer mycket stora krav på upplösningsförmågan hos de instrument vi har tillgång till. Trots att vi har tillgång till rymdbaserade teleskop, varvid jordatmosfärens utsuddande verkan undviks, är inte detta möjligt ännu. Att direkt avbilda en exoplanet, och på så sätt visa att sådana finns, förefaller fortfarande ligga långt fram i tiden. Men det finns andra sätt.

Dynamiska effekter löser problemet
Sedan länge är det känt, enligt klassisk newtonsk fysik, hur kroppar i bana kring varandra påverkas. En planet kring solen styrs av solens gravitation, och för en liten planet kanske vi tycker att denna påverkan är ensidig. Planeten rör sig kring den stillastående solen. Men om planetens massa blir stor, kommer vi att märka att även solen påverkas. En tung planet i bana kring en stjärna förskjuter även stjärnans läge, både planeten och stjärnan rör sig kring en gemensam tyngdpunkt. Stjärnan utsänder mycket ljus och är lätt observerbar. Kan vi utnyttja detta på så sätt att vi påvisar planetens existens genom dess påverkan av stjärnan? Då går man runt problemet med de svårobserverbara, ljussvaga planeterna. Ja, det kan vi, på två sätt varvid åtminstone ett har varit framgångsrikt. Man skulle kunna påvisa en stjärnas lägesändring på himlen. Än så länge är vår observationsnoggrannhet inte tillräcklig för att detta ska vara möjligt för planeter med "normal" massa. Men med dopplereffekten kan man påvisa själva rörelsen hos stjärnan. Detta har man lyckats med.

Högupplösningsspektroskopi
Dopplereffekten är den grundläggande fysikaliska företeelse som säger att en strålningskälla som rör sig mot oss förskjuter våglängden hos strålningen mot kortare våglängder, rör sig källan från oss förskjuts strålningen mot längre våglängder. Denna förskjutning hos en planetförsedd stjärna kan mätas och ger direkt ett mått på stjärnans rörelse som sedan kan användas för att beräkna den störande kroppens (exoplanetens) massa och egenskaper hos dess bana.

Spektroskopi är den astronomiska observationsmetod som används för att påvisa himlakroppars rörelser. En stjärnas ljus utsänds i form av ett spektrum i vilket spektrallinjer med väldefinierade våglängder befinner sig. Genom att studera spektrum i hög upplösning, vilket normalt kräver att stjärnan är ljus, kan man erhålla en kurva som beskriver spektrallinjernas förändring i våglängd. Förutom att stjärnan måste vara ljus bör den också vara av ett slag där spektrallinjerna är väldefinierade. Så är fallet med stjärnor av solens typ, en ödets nyck, det är kanske just sådana stjärnor vi är mest intresserade av att veta om de har planeter. Vi bor ju själva på en sådan plats…

Exoplaneterna hittas
Flera forskarlag i världen började leta efter planeter enligt de principer som just nämnts. 1995 meddelade schweizarna Michel Mayor och Didier Queloz att de funnit en planet kring stjärnan 51 Pegasi, en stjärna snarlik solen. Planeten hade en massa på minst en halv Jupitermassa, avståndet mellan planeten och stjärnan var mycket kort, endast 0,05 ua (1 ua = avståndet mellan solen och jorden) och omloppstiden blev därför mycket kort, endast fyra dygn. En överraskning! Men därefter följde fler upptäckter av även andra planetsystem och vi räknar nu med att ett sjuttiotal exoplaneter med varierande egenskaper har upptäckts. Bland dessa är endast ett fåtal flerplanetsystem. Detta är sannolikt en urvalseffekt, det är de tyngsta planeterna som upptäcks först, lättare planeter kan slinka undan tills observationsmetoderna förfinats ytterligare.

Man skulle naturligtvis kunna hävda att dessa indirekta fynd av planeter inte är tillräckligt säkra för att utgöra bevis på att exoplaneter verkligen finns. Man observerar ju inte planeterna själva utan endast effekterna av dem. Men 1999 observerade man för första gången hur en exoplanet vandrade över stjärnytan, en så kallad ockultation, varvid stjärnans ljus för en tid minskade. Därmed kan det nu sägas vara bevisat att exoplaneter finns.

I sanningens namn bör nämnas att redan några år före upptäckten av planeten kring 51 Pegasi hade ett annat exoplanetsystem påvisats. Detta består av två kroppar av cirka jordens massa i bana kring en pulsar, det vill säga en stjärnrest. Detta system, plus ett liknande system som upptäckts senare, anses så exotiskt och speciellt att det faller utanför diskussionen om planeter kring solliknande stjärnor, där liv möjligen skulle kunna uppkomma.

Upptäckternas konsekvenser
Den positiva sidan av upptäckten av exoplaneter är att vi nu lagt ytterligare en bit på plats i det stora pussel som ska ge oss lösningen på solsystemets uppkomst och kanske också förklara livets uppkomst. Men den negativa (läs utmanande) sidan är att vi har upptäckt en långt större mångsidighet i exoplanetsystemen än vi hade väntat oss. Vi har nämligen inte funnit ett enda system som påminner om solsystemet! Vi väntade oss planetsystem av vår typ, men har i stället funnit många andra varianter.

Men urvalseffekterna är än så länge starka. Dessa kan minimeras med instrumentens framtida utveckling. Dessutom kan vi naturligtvis förvänta oss att finna planetsystem i olika utvecklingsstadier. Stjärnorna med stoftskivor kring sig kan vara planetsystem i vardande, eller finns där kanske redan planeter i stoftskivorna? Kommer de Jupiterliknande exoplaneterna med kort omloppstid att slukas av sina stjärnor eller kommer de i stället att vandra ut till större banor, så stora som vi är vana vid att finna sådana planeter i solsystemet? De nya upptäckterna reser nya frågor och ifrågasätter de hittillsvarande teorierna om planetbildningen i solsystemet. Det är sådana frågor som Pawel Artymowicz (se profilen) och hans kollegor är sysselsatta med.