Švýcarští astrofyzici, nositelé Nobelovy ceny za objev první exoplanety u hvězdy slunečního typu (51 Pegasi b, 1995) a tvůrci spektrografů HARPS a ESPRESSO.

Obsah hesla

[Rejstřík]

1.Cesta k objevu: Přístroj ELODIE na Haute-Provence
2.Podzim 1995: Šok jménem 51 Pegasi b
3.Lovci planet: Od ELODIE k HARPS a ESPRESSO
4.Nobelova cena za fyziku (2019)

Michel Mayor a Didier Queloz: Průkopníci, kteří nám otevřeli cizí světy

Michel Mayor (narozen 12. ledna 1942) a Didier Queloz (narozen 23. února 1966) jsou švýcarští astrofyzici, kteří v roce 2019 obdrželi Nobelovu cenu za fyziku za epochální objev první exoplanety obíhající kolem hvězdy slunečního typu.

Jejich objev planety 51 Pegasi b v říjnu 1995 znamenal zásadní přelom v dějinách lidského poznání. Do té doby byl vesmír mimo naši Sluneční soustavu pouze doménou teoretických spekulací a sci-fi literatury. Mayor a tehdy teprve devětadvacetiletý doktorand Queloz dokázali nemožné: zkonstruovali nevídaně přesný přístroj, který dokázal změřit nepatrné kolébání vzdálené hvězdy vyvolané gravitací obíhající planety, a odstartovali tak explozi exoplanetárního výzkumu, která trvá dodnes.

1. Cesta k objevu: Přístroj ELODIE na Haute-Provence #

Na počátku 90. let pracoval profesor Michel Mayor na Ženevské univerzitě a zabýval se studiem hnědých trpaslíků a dvojhvězd. Společně s francouzskými kolegy navrhl revoluční spektrograf ELODIE, který byl instalován na 1,93metrovém teleskopu na observatoři Haute-Provence v jižní Francii.

ELODIE využíval techniku křížové disperze a optických vláken v teplotně stabilizovaném vakuu, což mu umožnilo měřit radiální rychlost hvězd s přesností na $13\text{ metrů za sekundu}$ (tehdejší světový rekord). Mayor zadal svému novému doktorskému studentovi Didieru Quelozovi úkol: napsat software pro automatické zpracování spekter a sledovat vybraný vzorek 142 blízkých hvězd podobných Slunci.

2. Podzim 1995: Šok jménem 51 Pegasi b #

Při analýze dat z podzimu 1994 a jara 1995 si Didier Queloz všiml podivného chování u nenápadné hvězdy 51 Pegasi v souhvězdí Pegase (vzdálené 50 světelných let):

Hvězda kmitala sem a tam s periodou pouhých 4,2 dne a amplitudou $56\text{ m/s}$ .
Queloz se zprvu domníval, že jde o chybu v softwaru nebo poruchu přístroje. Žádná planeta přece nemohla obíhat tak blízko své hvězdy! Podle všech učebnic potřebovali plynní obři k zformování mrazivé dálky na okraji soustavy.
Když se Mayor vrátil ze stáže na Havaji, data pečlivě přepočítal. V červenci 1995 provedli sérii kontrolních měření a vyloučili hvězdné pulzace. Signál byl skutečný – kolem hvězdy 51 Pegasi obíhala planeta o hmotnosti poloviny Jupiteru ve vzdálenosti pouhých $7\text{ milionů kilometrů}$ od hvězdy!

Dne 6. října 1995 oznámili Mayor a Queloz svůj objev na konferenci ve Florencii a následně publikovali přelomový článek v časopise Nature. Zrodila se zcela nová kategorie planet – horké Jupitery. Objev byl během několika dnů nezávisle potvrzen americkým týmem Geoffreyho Marcyho a Paula Butlera na Lickově observatoři v Kalifornii.

3. Lovci planet: Od ELODIE k HARPS a ESPRESSO #

Objev 51 Pegasi b nebyl náhodným štěstím, ale začátkem systematické technologické revoluce.

Mayor a Queloz pokračovali ve vývoji stále dokonalejších spektrografů:

CORALIE (1998): Instalován na 1,2m švýcarském teleskopu na La Silla v Chile.
HARPS (2003): Špičkový spektrograf na 3,6m teleskopu ESO na La Silla, který dosáhl přesnosti pod $1\text{ metr za sekundu}$ a objevil stovky nových planet, včetně prvních super-Zemí.
ESPRESSO (2018): Spektrograf nové generace instalovaný na Very Large Telescope (VLT) na Paranalu, který využívá laserové frekvenční hřebeny a dosahuje přesnosti $10\text{ centimetrů za sekundu}$ .

4. Nobelova cena za fyziku (2019) #

Dne 8. října 2019 udělila Královská švédská akademie věd Michelu Mayorovi a Didieru Quelozovi Nobelovu cenu za fyziku „za objev exoplanety obíhající kolem hvězdy slunečního typu“ (o cenu se podělili s teoretickým kosmologem Jamesem Peeblesem).

Výbor Nobelovy nadace ve zdůvodnění uvedl: „Jejich objev navždy změnil naše chápání místa lidstva ve vesmíru a odstartoval novou éru planetární vědy.“

Odborný astrofyzikální text včetně stavových rovnic, efemerid a spektrální klasifikace.

Profi režim

Přístrojová spektroskopie vysokého rozlišení a korelační analýza Mayora a Queloze: Vývoj spektrografů ELODIE, HARPS a ESPRESSO

Přelomový úspěch Michela Mayora a Didiera Queloze spočíval v překonání fundamentálního limitu klasické astronomické spektrografie prostřednictvím simultánní křížové korelace a absolutní teplotně-tlakové stabilizace.

1. Matematický princip numerické křížové korelace (Cross-Correlation Function – CCF) #

Klasické měření Dopplerova posuvu jednotlivých absorpčních čar naráželo na limit poměru signálu k šumu u slabých hvězd. Metoda CCF (vyvinutá Barannem a Mayorem v přístroji CORAVEL a zdokonalená pro ELODIE) integruje informaci z tisíců spektrálních čar současně.

Pozorované spektrum $S(\lambda)$ je digitálně korelováno s binární numerickou maskou $M(\lambda)$ odpovídající syntetickému spektru hvězdy daného spektrálního typu (např. G2V pro Slunce a 51 Pegasi):

CCF(v) = \int_{\lambda_1}^{\lambda_2} S(\lambda) \, M\left(\lambda \left[ 1 + \frac{v}{c} \right]\right) d\lambda

Výsledná funkce $CCF(v)$ má profil gaussovské absorpční čáry s mimořádně vysokým efektivním poměrem signálu k šumu:

(S/N)_{\text{CCF}} \approx (S/N)_{\text{pixel}} \sqrt{N_{\text{lines}}}

Kde počet analyzovaných čar $N_{\text{lines}} \sim 3,000-5,000$ . Centroid minima $v_{\text{rad}}$ je stanoven gaussovským fitem s přesností:

\sigma_v \approx \frac{C}{(S/N)_{\text{pixel}} \sqrt{N_{\text{lines}}}} \frac{\text{FWHM}}{\sqrt{N_{\text{lines}}}}

Tento přístup umožnil u spektrografu ELODIE (rozlišení $R = \lambda / \Delta\lambda = 42,000$ ) stlačit chybu měření radiální rychlosti z běžných stovek m/s na pouhých $\sigma_v \approx 13\text{ m/s}$ .

2. Orbitální parametry 51 Pegasi b (Dimidium) #

Z měření radiálních rychlostí hvězdy 51 Pegasi ( $M_* = 1{,}11 \pm 0{,}05 M_\odot$ , $R_* = 1{,}24 R_\odot$ , spektrum G2.5 IV-V) v období duben–září 1995 odvodili Mayor a Queloz orbitální parametry:

Oběžná perioda: $P = 4{,}230785 \pm 0{,}000036\text{ dne}$
Poloviční amplituda rychlosti: $K = 55{,}9 \pm 0{,}8\text{ m/s}$
Orbitální excentricita: $e = 0{,}013 \pm 0{,}012$ (striktně kruhová dráha po slapové cirkularizaci)

Z Keplerova třetího zákona:

a = \left[ \frac{G M_* P^2}{4\pi^2} \right]^{1/3} \approx 0{,}0527\text{ AU} \approx 7{,}88 \times 10^6\text{ km}

Minimální hmotnost planety (pro neznámý sklon oběžné roviny $i$ ):

M_p \sin i = K \left( \frac{P}{2\pi G} \right)^{1/3} M_*^{2/3} \sqrt{1 - e^2} \approx 0{,}472 \pm 0{,}039 M_{\text{Jup}} \approx 150 M_\oplus

3. Technologická evoluce: Od Th-Ar lamp k laserovým frekvenčním hřebenům #

Progres v dosahované přesnosti spektrografů vedený ženevským týmem:

ELODIE (1993, OHP): $\sigma_v \approx 10-15\text{ m/s}$ . Kalibrace pomocí simultánního referenčního spektra thoriovo-argonové (Th-Ar) výbojky přiváděné druhým optickým vláknem.
HARPS (2003, ESO 3,6 m): $\sigma_v \approx 0{,}8-1\text{ m/s}$ . Spektrograf umístěn v mechanicky izolovaném vakuovém kontejneru ( $P < 10^{-2}\text{ mbar}$ ) s teplotní stabilitou $\Delta T < 0{,}01\text{ K}$ . Optická vlákna vybavena dvojitým mechanickým scramblerem pro homogenizaci zorného pole. Objev desítek planet o hmotnostech super-Zemí.
ESPRESSO (2018, ESO VLT): $\sigma_v \approx 0{,}1\text{ m/s} \quad (10\text{ cm/s})$ . Může kombinovat světlo ze všech čtyř 8,2m teleskopů VLT. Využívá laserový frekvenční hřeben (Astrocomb) poskytující miliony ekvidistantních referenčních spektrálních čar svázaných s atomovými hodinami. Tato přesnost poprvé umožňuje detekci gravitačního vlivu terestrických planet v obyvatelných zónách hvězd slunečního typu.

4. Vědecké reference a primární literatura #

[1] Mayor, M., & Queloz, D. (1995). A Jupiter-mass companion to a solar-type star. Nature, 378(6555), 355–359.
[2] Baranne, A., Queloz, D., Mayor, M., et al. (1996). ELODIE: A spectrograph for versatile high precision radial velocity work. Astronomy and Astrophysics Supplement Series, 119, 373–390.
[3] Mayor, M., et al. (2003). Setting New Standards with HARPS. The Messenger, 114, 20–24.
[4] Pepe, F., et al. (2021). ESPRESSO at VLT: On-sky performance and first results. Astronomy & Astrophysics, 645, A96.
[5] Nobel Prize in Physics 2019. Advanced Information: Physical Cosmology and an Exoplanet Orbiting a Solar-Type Star. Royal Swedish Academy of Sciences.

Literatura a vědecké reference

Mayor & Queloz: A Jupiter-mass companion to a solar-type star. Nature, Vol 378, Issue 6555, pp. 355–359 (1995)[online]
Pepe et al.: ESPRESSO at VLT: On-sky performance and first results. Astronomy & Astrophysics, Vol 645, A96 (2021)[online]

Jmena	Michel Mayor & Didier Queloz
Nobelova cena	Nobelova cena za fyziku (2019)
Klicovy objev	První exoplaneta u hvězdy slunečního typu (51 Pegasi b, říjen 1995)
Instituce / Působiště	Univerzita v Ženevě, Cambridge University
Vyvinute pristroje	Spektrografy ELODIE (1993), CORALIE (1998), HARPS (2003), ESPRESSO (2018)
Metoda	Dopplerova spektroskopie radiálních rychlostí s křížovou korelací CCF
Vyznam	Zahájení éry moderního exoplanetárního výzkumu a změna paradigmatu vzniku planet

Spektrograf elodie	R = 42 000, přesnost ~13 m/s (Haute-Provence 1,93 m)
Spektrograf harps	R = 115 000, přesnost < 1 m/s (La Silla 3,6 m)
Spektrograf espresso	R = 140 000 až 220 000, přesnost ~10 cm/s (VLT 4×8,2 m)
Data 51 peg b	P = 4,23 dne, K = 55,9 m/s, a = 0,053 AU, M sin i = 0,47 M_Jup
Matematicka metoda	Numerická křížová korelace CCF maskou s 5 000 čarami
Kalibrace	Simultánní Th-Ar výbojka, Fabry-Pérotovy etalony a laserový hřeben

Michel Mayor a Didier Queloz

Michel Mayor a Didier Queloz

Obsah hesla

Michel Mayor a Didier Queloz: Průkopníci, kteří nám otevřeli cizí světy

1. Cesta k objevu: Přístroj ELODIE na Haute-Provence #

2. Podzim 1995: Šok jménem 51 Pegasi b #

3. Lovci planet: Od ELODIE k HARPS a ESPRESSO #

4. Nobelova cena za fyziku (2019) #

Přístrojová spektroskopie vysokého rozlišení a korelační analýza Mayora a Queloze: Vývoj spektrografů ELODIE, HARPS a ESPRESSO

1. Matematický princip numerické křížové korelace (Cross-Correlation Function – CCF) #

2. Orbitální parametry 51 Pegasi b (Dimidium) #

3. Technologická evoluce: Od Th-Ar lamp k laserovým frekvenčním hřebenům #

4. Vědecké reference a primární literatura #

Literatura a vědecké reference

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík

Michel Mayor a Didier Queloz

Obsah hesla

Michel Mayor a Didier Queloz: Průkopníci, kteří nám otevřeli cizí světy

1. Cesta k objevu: Přístroj ELODIE na Haute-Provence #

2. Podzim 1995: Šok jménem 51 Pegasi b #

3. Lovci planet: Od ELODIE k HARPS a ESPRESSO #

4. Nobelova cena za fyziku (2019) #

Přístrojová spektroskopie vysokého rozlišení a korelační analýza Mayora a Queloze: Vývoj spektrografů ELODIE, HARPS a ESPRESSO

1. Matematický princip numerické křížové korelace (Cross-Correlation Function – CCF) #

2. Orbitální parametry 51 Pegasi b (Dimidium) #

3. Technologická evoluce: Od Th-Ar lamp k laserovým frekvenčním hřebenům #

4. Vědecké reference a primární literatura #

Literatura a vědecké reference

Související hesla v AstroWiki

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík