2019年のノーベル賞は、物理火曜日、ミシェル・マイヨール氏とディディエ・ケロー氏が1995年に成し遂げた驚くべき発見、つまり太陽に似た遠く離れた恒星の周りを回る惑星の最初の発見に対してその一部を受賞した賞が授与された。それ以前は、地図上にある惑星は私たちの太陽系にある 8 つの惑星だけでした。惑星が宇宙で一般的なのか、それとも珍しいのかさえわかりませんでした。この問題は、地球外生命体の存在の可能性に大きな影響を及ぼします。
それはまさに科学的探偵の偉業でした。市長とケロスは、50.45光年離れたペガスス座51番星と呼ばれる星を観察した。私たちは星から発せられる光を見ることができますが、その距離では光源の角の大きさが小さすぎて望遠鏡で分解できません。言い換えれば、私たちは星そのものを実際に見ることはできません。そして、星が見えないなら、その周りを回るもっと小さな惑星も確かに見えません。
それで、彼らはどうやってそれをやったのでしょうか？もちろん物理学も含めて。すべてのことと同様、それを理解する最良の方法はモデルを構築することです。それでは、これまでに検出された最初の系外惑星の単純なモデルを構築してみましょう。
スターライトをふるいにかける
スター51 ペガシ太陽は私たちの太陽によく似ていますが、もう少し巨大ですが、同じように近くにある場合は、おそらく区別できないでしょう。つまらないと呼ばれる惑星51 ペガシ bは木星のような巨大ガス惑星ですが、その星に驚くほど近く、軌道半径はわずか約 0.05 天文単位です。(AU は天文単位の略で、地球から太陽までの平均距離を表します。)参考までに言うと、木星の軌道半径は約 5 天文単位です。
さて、私は後知恵として、これを逆向きに考えていきます。恒星と系外惑星の推定質量と軌道半径を使用して、この恒星・惑星系の挙動をモデル化し、それをどのように検出できるかを示します。もちろん、市長とケロスはデータからそれらの推定値を導き出す必要がありました。しかし、おそらく彼らは、仕事の指針として同様のモデルを念頭に置いていたでしょう。
どの太陽系でも、星と惑星を引き寄せる重力が存在します。この引力は各物体の質量に依存します (Msそしてメートルp) と距離 (r) の間であり、その大きさは次の式で与えられます。
ここ、Gは重力定数で、値は 6.67 x 10 です。-11N×m2/kg2。しかし、天体に働く力は実際には何をするのでしょうか?運動量の原理に従って、運動量が変化します（p) – ここで、運動量は速度 (v) の質量倍。このような：
文字の前のギリシャ語記号 Î は、その変数の小さな変化を示します。ああ、変数の上の矢印はどうでしょうか？これらは、これらがベクトル量であることを示しています。それは派手に聞こえるかもしれませんが、力と運動量の大きさに方向情報を追加するだけです。私たちは知る必要がありますどこ物事は進んでいますね？
ここで、この星-惑星系の動きを追跡するために、段階的な数値手法を使用します。上の方程式は、星と惑星の両方に作用する力を示します。そこから、短い時間間隔での各オブジェクトの運動量の変化を計算できます (Ît）。それなら使えるよそれ星と惑星の新しい位置を見つけます。これは力の図です (F) とその結果生じる運動量の変化 (赤い矢印):
「短い」時間間隔とはどのくらいの長さでしょうか?ペガスス座 51 番星 b はわずか 4 地球日でその星を周回しますが、これは非常に速いです。それでは、100 秒の間隔を試してみましょう。次に、1 回転をプロットするには、これらの力と運動量の計算を 3,000 回以上繰り返すだけです。はぁ！問題ありません。それらを短い Python スクリプトに入れて反復するだけです。「再生」ボタンをクリックして実行します。
惑星が恒星の周りを回っているのは明らかです。しかし、ここでは、このスケールでは見ることができない別のことが起こっています。星も動いています。重力により、星は惑星とまったく同じ運動量の変化を経験します。それははるかに大きな質量を持っているので（そしてそれを思い出してください）p=メートル×v)、これは速度の変化がはるかに小さいことになりますが、それは静止していません。基本的に、惑星が周回するたびにわずかにぐらつきます。
ズームインしてみましょう: Python モデルの結果を使用して、星の動きを 1 次元でプロットしました。(これは簡単のためです。3 次元空間の 3 軸座標系を考えてください。×、y、 そしてz。私はただ恣意的にその速度を追跡しているだけですy方向。）コードは次のとおりですこのプロットでは（念のため）。
イラスト: レット・アレイン最大速度は 200 m/s 未満で、惑星よりもはるかに遅い速度ですが、動いています。
惑星は見えませんが、影響星の速度上の惑星の速度。そして、星の光を見ることで星の速度を「見る」ことができます。ドップラー効果。
ドップラー効果については、スピードを上げた電車が音を立てて通り過ぎたときのことをすでにご存知でしょう。あるいはサーキットのレーシングカー。次のように聞こえます:
ねえええええええええ、らああああああああああ???
二度とそんなことさせないでね。しかし、それがドップラー効果の特徴的なサウンドです。騒々しい物体が近づいてくると、より高いピッチ (より高い周波数) の音が聞こえます。それがあなたを通り過ぎて遠ざかっていくと、より低いピッチでそれが聞こえます。
さて、光にもドップラー効果があります。星があなたに向かって移動すると、その光は色のスペクトルの青い端（より高い周波数/より短い波長）に向かってシフトします。それがあなたから遠ざかるにつれて、その光はスペクトルの赤い端（より長い波長）に向かってシフトします。
それは便利です!私たちは光の速度を知っているので、c(約3×108m/s) を使用すると、波長の変化を測定でき、そこから星の速度を推定できます。ここで、「」メートルは測定された波長、λ静止している場合に見える波長です。0イラスト: レット・アレイン
問題が見えてきます。物体の速度 (v分子の ) は光の速度 (c) 分母では、これは 51 ペガシの場合、ごくわずかな波長シフトしか得られません。例としてはどうでしょうか？
この星が波長 500 ナノメートル (1 メートルの 5000 億分の 5) のスペクトル線を生成するとします。これは、ほぼ緑色に相当します。上のモデルでその波長と星の速度を使用して、測定された波長の経時的なプロットを次に示します。
大きな変動のように見えるのは、y軸がとても小さいです。よく見ると、波長が 500.00000 nm から 500.00031 nm の範囲にあることがわかります。それは非常に変化が小さいため、検出するのは非常に困難です。しかし、待ってください。状況はさらに悪化します。私たちは、星が私たちに近づいたり遠ざかったりしていると仮定します。しかし、惑星の軌道が星を地球に対して上下に揺らしたらどうなるでしょうか?その場合、波長のシフトは見られません。私たちはそこに惑星があったことを知りませんでした。
挑戦的だと思いませんか？なぜ 1995 年までかかったのか、そしてなぜ市長とケロスがその功績を称えられているのかがわかりました。ノーベル賞委員会は、彼らが「天文学に革命を起こした」と述べた。実際、彼らが開拓した方法と他のいくつかの創造的な技術を使用して、天文学者たちはそれ以来、天の川銀河で 4,000 個以上の系外惑星を検出した。もしかしたら、独自の優秀な科学者を擁する組織が見つかるかもしれません。
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