Sie haben unsere Vorstellung der Welt verändert
Die diesjährigen Preisträger haben unsere Vorstellungen über den Kosmos verändert. Während James Peebles’ theoretische Entdeckungen zu unserem Verständnis der Entwicklung des Universums nach dem Urknall beitrugen, erforschten Michel Mayor und Didier Queloz auf der Jagd nach unbekannten Planeten unsere kosmische Nachbarschaft. Ihre Entdeckungen haben unsere Vorstellungen von der Welt für immer verändert.
Mit diesen starken Worten hat das Nobelpreiskomitee ihre einzigartigen Beiträge zur Wissenschaft und zum Wissen anerkannt. Sie haben unsere Vorstellungen von der Welt verändert, nicht weniger. Der Traum aller Wissenschaftler. Nicht nur weitere Fußspuren auf einem bereits begangenen Pfad zu hinterlassen, sondern einen neuen Weg zu eröffnen, aus dem sich neue Perspektiven ergeben können. Sie haben es geschafft und sind dafür anerkannt worden. Herzlichen Glückwunsch.
Für jemanden, der im Bereich der Planetenwissenschaften arbeitet, war die Entdeckung von Michel Mayor und Didier Queloz 1995 nichts anderes als eine Revolution. Um ihre Auswirkungen zu begreifen, muss man sich daran erinnern, dass damals nur die Planeten in unserem Sonnensystem bekannt waren. Die charakteristische Architektur, kleine Gesteinsplaneten in Sonnennähe und riesige Gasplaneten in größerer Entfernung, wurde als unbestreitbares allgemeines Merkmal aller Planetensysteme angesehen. Die Entdeckung der beiden Nobelpreisträger erschüttert alles!
Ein Riesenplanet (etwa die Hälfte der Masse des Jupiters) umkreist seinen Stern (51 Pegasi) in einem siebenmal kleineren Abstand als Merkur zu unserer Sonne. Game over! Wir wussten sofort, dass etwas nicht stimmte, keine Frage. Die Entdeckung eines einzigen Objekts reichte aus, um uns alle von Vorne beginnen zu lassen!
Eine offensichtliche Frage drängt sich auf: Warum dauerte es so lange, bis der erste Planet entdeckt wurde, der einen anderen Stern als die Sonne umkreist? Die Antwort ist einfach: Kontrast und Distanz.
Verglichen mit dem Stern, den sie umkreisen, sind Planeten extrem blass. Typischerweise liegt das Kontrastverhältnis im Sichtbaren bei 10-8 bis 10-10 und im Infraroten bei 10-6. Wenn wir dieses riesige Kontrastverhältnis mit der Tatsache koppeln, dass der Abstand zwischen Planet und Stern von uns aus gesehen sehr gering ist (typischerweise ein Bruchteil einer Bogensekunde oder sogar viel weniger), wird deutlich, dass das “Sehen” von Planeten selbst für unsere modernsten Teleskope und Instrumente eine enorme Herausforderung darstellt.
Tatsächlich ist es eine solch grosse Herausforderung, dass geschickte indirekte Methoden zur Erkennung von Planeten eingesetzt wurden, während man auf die Entwicklung kontrastreicher, hochauflösender Bildtechniken wartete.
Während die Planeten nicht gesehen werden können, ist ihr Stern deutlich sichtbar. Mit präzisen Doppler-Messungen können ihre kleinen Bewegungen, die aus der Gravitationskraft des/der Planeten in der Umlaufbahn resultieren (ein dynamischer Effekt), gemessen und eine Mindestmasse für den Planeten bestimmt werden. Mit ultrapräzisen Messungen der Intensität des vom Stern empfangenen Lichts kann die leichte Abdunklung, die sich aus dem Vorbeiflug eines Planeten vor dem Stern ergibt (ein photometrischer Effekt), festgestellt und die Größe des Planeten bestimmt werden. Für Planeten, die mit beiden Techniken gemessen wurden, sind Masse und Radius bekannt, so dass ihre mittlere Dichte berechnet werden kann. Ein erster Schritt bei der Charakterisierung von Exoplaneten.
Michel Mayor interessierte sich zunächst für die Kinematik der Sterne. Der Bedarf an hochpräzisen Daten für die Entwicklung dynamischer Modelle von Galaxien und Sternhaufen veranlasste ihn dazu, die Entwicklung einer genaueren Methode zu erwägen. In den Siebziger Jahren befasste er sich mit einer Kreuzkorrelationstechnik, die von Roger Griffin in Großbritannien entwickelt worden war. Mayor brachte sie in das Genfer Observatorium. Als ich 1979 meine Doktorarbeit unter seiner Leitung begann, konnte sein erster Spektrograph, CORAVEL genannt, die Geschwindigkeit von Sternen bereits mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von einem km/s in nur wenigen Minuten messen. Eine erste Revolution in der Sterndynamik, aber nicht genug für Michel Mayor und seinem Drang nach Präzision.
Ein Weg zu einer noch besseren Maschine begann sich abzuzeichnen. Zusammen mit seinem Doktoranden Didier Queloz, der einen großen Teil der Software für die Steuerung der Maschine schrieb und viele Beobachtungen am Teleskop durchführte, und einer Gruppe engagierter Ingenieure und Techniker wurde der Spektrograph ELODIE gebaut. Am 1,93-m-Teleskop des Observatoire de Haute-Provence in Südfrankreich wurde er installiert. Dieses Gerät der neuen Generation war nun in der Lage, Geschwindigkeiten mit einer Genauigkeit von etwa 10 m/s zu messen, was eine Verbesserung um den Faktor 100 gegenüber dem vorherigen Instrument bedeutete. Das Erreichen dieser Präzision machte 1995 die Entdeckung des ersten Exoplaneten möglich.
Wie bereits erwähnt, hatte diese einzige Entdeckung einen enormen Einfluss auf das Forschungsfeld und löste eine beispiellose Explosion der Aktivität aus. Gruppen in den USA, die eine andere Technik (Jodzelle) verwendeten, wurden schnell zu ernsthaften Konkurrenten. Doch der Genfer Gruppe gelang es, ihre Kreuzkorrelationstechnik weiterzuentwickeln. Indem sie etwa den Spektrographen in ein spezielles druck- und temperaturstabilisiertes Gefäß einschloss.
Eine Zusammenarbeit zwischen der Universität Genf, der Universität Bern, dem Service d’Aéronomie und dem Observatoire de Haute-Provence wurde gegründet, um unter der Leitung von Michel Mayor den HARPS-Spektrographen für das 3,6-m-Teleskop der Europäischen Südsternwarte (ESO) in La Silla, Chile, zu bauen.
HARPS wurde Anfang 2000 in Betrieb genommen und erreichte eine Genauigkeit von unter 1 m/s. HARPS blieb über fünfzehn Jahre lang die leistungsstärkste Exoplanetenfindungsmaschine, die auf Radialgeschwindigkeitsmessungen basierte. Sie etablierte endgültig den Kreuzkorrelationsansatz von Michel Mayor als Methode der Wahl für präzise Radialgeschwindigkeitsmessungen.
Anfang dieses Jahres wurde die neueste Generation von Spektrographen, die auf dieser Technik basieren, im inkohärenten Cassegrain-Fokus der vier 8,5-m-ESO-Teleskope des Paranal-Observatoriums in Chile installiert. Das von einem Konsortium unter der Leitung der Universität Genf und einer neuen Generation von Instrumentenbauern gebaute Instrument, das von Michel Mayor mit dem Hochpräzisionsvirus geimpft wurde, erreicht nun eine Genauigkeit von 10 cm/s. Es kann das Licht aller vier Teleskope kombinieren, was einer effektiven Lichtsammelfläche eines 16-m-Teleskop entspricht. Der stabilste Spektrograph der Welt ermöglicht Messungen, die zehntausendmal genauer sind als die des vierzig Jahre zuvor gebauten Originals. Vierzig Jahre mühsame und konsequente Verbesserung einer Messtechnik!
Nein, die Entdeckung von Michel Mayor und Didier Queloz im Jahr 1995 war kein Zufall, sondern auf eine klare Vorstellung davon zurückzuführen, welche Technologie benötigt wurde. Und auf einen unglaublichen Antrieb, dies zu einem Zeitpunkt zu erreichen, als es fast alle anderen für unmöglich hielten.
Allen Zweifeln zum Trotz ermöglichte das Schweizer System (sowohl auf Universitäts- als auch auf Bundesebene) Michel Mayor und Didier Queloz die für ihre Forschung notwendige Unterstützung zu erhalten. Dies ist ein Lehrbuchbeispiel für die Notwendigkeit, neugierbasierte Forschung über einen längeren Zeitraum zu unterstützen. Insbesondere in experimentellen Bereichen, in denen neue Technologien und Instrumente entwickelt werden müssen, bevor neue Grenzen erreicht werden können.
Heute, fast 25 Jahre und über 4000 zusätzliche Entdeckungen später, ist die Vielfalt der Planeten und Planetensysteme die Regel geworden. Wir wissen heute, dass Planeten sehr häufig im Universum vorkommen. Dass es sie in allen Größen gibt, wobei die kleineren Planeten zahlreicher sind. Einige sind erdähnlich und befinden sich in einer solchen Entfernung zu ihrem Stern, dass sie gemäßigt sind. Das eröffnet die Möglichkeit nach Leben zu suchen, so, wie wir es auf der Erde kennen.
Um dies zu ermöglichen, werden überall auf der Welt Infrastrukturen, Technologien und Messtechniken der nächsten Generation entwickelt, die innerhalb des nächsten Jahrzehnts zur Verfügung stehen werden.
Die Entdeckung des ersten Exoplaneten durch Michel Mayor und Didier Queloz hat nicht nur unser Weltbild verändert, sondern auch eine weltweite Explosion der Aktivität ausgelöst. Sie hat dadurch die Tür zur Suche nach Leben außerhalb des Sonnensystems geöffnet. Eine bedeutsame Leistung, die die höchste Ehre, den Nobelpreis, verdient.
Dieser Artikel wurde in der Zeitschrift der Schweizer Physikalischen Gesellschaft erstveröffentlicht.
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