Το Νόμπελ Φυσικής τιμά τις Πρώιμες Ανακαλύψεις του Σύμπαντος και των Εξωπλανητών
Η προέλευση του σύμπαντος και η θέση της ανθρωπότητας μέσα σε αυτό μοιράστηκαν τα φώτα της δημοσιότητας κατά τη σημερινή ανακοίνωση του Βραβείου Νόμπελ στη Φυσική. Ο James Peebles, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, κέρδισε το μισό βραβείο για τη συμβολή του στη φυσική κοσμολογία, ενώ ο Michel Mayor, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης και ο Didier Queloz, αστρονόμος στη Γενεύη και στο εργαστήριο Cavendish στο Cambridge, μοιράστηκαν το άλλο μισό για την ανακάλυψη του 1995 ενός εξωπλανήτη που περιστρέφεται γύρω από ένα αστέρι που μοιάζει με ήλιο.
Όταν ο Peebles ξεκίνησε την καριέρα του στο Πρίνστον στις αρχές της δεκαετίας του 1960, υπήρχαν ελάχιστα στοιχεία για τη θεωρία του Big Bang, την ιδέα ότι το διαστελλόμενο σύμπαν θα μπορούσε να προεκταθεί πίσω στο χρόνο σε μια μικρή, καυτή, πυκνή κατάσταση. Στη συνέχεια, το 1965, ο Arno Penzias και ο Robert Wilson ανακάλυψαν το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB) — αρχαίο φως που εκπέμπεται όταν το σύμπαν ήταν 380.000 ετών. Το CMB παρέχει ένα στιγμιότυπο του νεαρού σύμπαντος, αποκαλύπτοντας ένα ομαλό, ζεστό, απλό μέρος. Ο Peebles θυμήθηκε αργότερα τον μέντορά του, Robert Dicke, ο οποίος «μου είπε με ένα κούνημα του χεριού του, «Γιατί δεν πηγαίνεις να σκεφτείς τη θεωρία», είπε ο Peebles. "Και το κάνω από τότε."
Ο Peebles πείραξε πληροφορίες για την προέλευση και το περιεχόμενο του σύμπαντος από το CMB, βοηθώντας να οδηγήσει τη θεωρητική κοσμολογία σε μια νέα, αυστηρή εποχή. Το 1965, λίγο μετά την ανακάλυψη του Penzias και του Wilson, ο Peebles, ο Dicke και δύο συνάδελφοί του έδωσαν τη βασική εξήγηση του τι είναι το CMB και πώς σχετίζεται με το Big Bang. Υποστήριξαν ότι το φως είχε διαδοθεί στο διάστημα σχεδόν από την αρχή, γινόταν πιο αμυδρό και λιγότερο ενεργητικό με την πάροδο του χρόνου καθώς η διαστολή του διαστήματος το τέντωσε. Από την ενέργεια αυτών των φωτονίων σήμερα, θα μπορούσαν να συμπεράνουν μια θερμοκρασία του πρώιμου σύμπαντος άνω των 10 δισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου.
Σε εκείνη την καυτή πρώιμη εποχή, ζεύγη ηλεκτρονίων και ζεύγη νετρίνων θα είχαν υλοποιηθεί αυθόρμητα, οδηγώντας στη σύνθεση πρωτονίων και νετρονίων και - όταν αυτά τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενώθηκαν - στη δημιουργία ατομικών πυρήνων. Το 1966, ο Peebles έκανε λεπτομερείς υπολογισμούς της αφθονίας των διαφορετικών ισοτόπων που θα είχαν παραχθεί σε αυτή τη διαδικασία, γνωστή ως πυρηνοσύνθεση του Big Bang.
Υπολόγισε τις σχετικές ποσότητες δευτερίου, ηλίου-3 και ηλίου-4 συνάγοντας την αρχέγονη πυκνότητα των νετρονίων και των πρωτονίων από τη θερμοκρασία του CMB. Ωστόσο, αυτή η εκτίμηση που βασίζεται στο CMB διέφερε από αυτό που έχουν παρατηρήσει οι αστρονόμοι στο σημερινό σύμπαν. Η ασυμφωνία έδειξε ότι μπορεί να λείπουν σημαντικά συστατικά. Καθώς τόσο η θεωρία όσο και η παρατήρηση του CMB βελτιώθηκαν, ο Peebles και άλλοι θεωρητικοί αυξήθηκαν βέβαιοι ότι η πρώιμη πυκνότητα των πρωτονίων και των νετρονίων ωχριάστηκε δίπλα σε αυτή ενός διαφορετικού είδους ύλης, που τώρα είναι γνωστή ως σκοτεινή ύλη, που δεν αλληλεπιδρούσε εύκολα παρά μόνο μέσω της βαρύτητας.
Αργότερα, στη δεκαετία του 1970, ο Peebles πρωτοστάτησε στη θεωρία του σχηματισμού κοσμικής δομής, η οποία περιγράφει πώς οι λεπτές θερμές και ψυχρές κηλίδες που φαίνονται στο CMB εξελίχθηκαν σε γαλαξίες και κενά στο σημερινό σύμπαν. Συνέχισε να συνεισφέρει σημαντικά στη θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού, μια πιθανή περίοδο εκθετικής επέκτασης στην αρχή της Μεγάλης Έκρηξης, καθώς και στην αύξηση της κατανόησής μας για τη σκοτεινή ενέργεια - απωθητική ενέργεια που πιστεύεται ότι εμποτίζει το ίδιο το διάστημα. P>
«Ο Τζιμ είναι ένας από τους αληθινούς γίγαντες στον τομέα», έγραψε ο Paul Steinhardt, συνάδελφος του Peebles στο Princeton, σε ένα email. «Το έργο του μετέτρεψε την κατανόησή μας για το καυτό, διαστελλόμενο σύμπαν από ποιοτική σε ακριβή, αποκάλυψε την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης και έδειξε τους γρίφους που παραμένουν».
Ενώ το ένα ήμισυ του φετινού βραβείου φυσικής τίμησε το έργο του Peebles σε ερωτήσεις μεγάλης κλίμακας για το σύμπαν, το άλλο μισό πήγε σε ερευνητές που άλλαξαν την κατανόησή μας για τη δική μας θέση μέσα στον κόσμο και την αίσθηση της μοναδικότητας - ή όχι, όπως περίπτωση μπορεί να είναι — του πλανητικού μας σπιτιού.
Μέχρι το 1995, οι αστρονόμοι είχαν ήδη περάσει αρκετά άκαρπα χρόνια αναζητώντας πλανήτες γύρω από μακρινά αστέρια. Οι προοπτικές για ανακάλυψη φαινόταν ζοφερές. Οι πλανήτες είναι αμυδρά και τα αστέρια φωτεινά, επομένως οι ερευνητές έπρεπε να βρουν έναν τρόπο να χρησιμοποιήσουν το φως των αστεριών για να αποκαλύψουν έναν πλανήτη που ήταν κρυμμένος κοντά.
Η μέθοδος στην οποία κατέληξαν στόχευε να κάνει χρήση της υποθετικής έλξης του πλανήτη στο ίδιο το αστέρι. Εάν ένας πλανήτης περιφερόταν γύρω από ένα αστέρι, και οι δύο θα περιστρέφονταν γύρω από το κοινό κέντρο βάρους τους. Δεδομένου ότι τα αστέρια έχουν πολύ μεγαλύτερη μάζα από τους πλανήτες, αυτό το κέντρο βάρους θα ήταν πολύ κοντά στο κέντρο του άστρου, και έτσι το αστέρι θα πρέπει να κινείται μόνο λίγο. Αλλά ίσως λίγο θα ήταν αρκετό.
Εάν οι παρατηρητές κοιτούσαν στην άκρη της τροχιάς αυτού του άστρου, θα το έβλεπαν να κινείται προς το μέρος τους και μετά να απομακρύνεται από αυτά καθώς ο πλανήτης έκανε κύκλους σε απόσταση. Ακριβώς όπως το βήμα μιας σειρήνας ασθενοφόρου αυξάνεται όταν πλησιάζει και χαμηλώνει όταν απομακρύνεται, το φως από το αστέρι θα πρέπει επίσης να μετατοπίζεται σε υψηλότερες και χαμηλότερες συχνότητες καθώς το αστέρι κινείται εμπρός και πίσω στο διάστημα.
Ωστόσο, κανείς δεν ήξερε αν θα ήταν δυνατό να μετρηθεί μια τόσο λεπτή μετατόπιση. Σκεφτείτε ότι εάν ένας μακρινός εξωγήινος πολιτισμός ήθελε να ανιχνεύσει την παρουσία του Δία κοιτάζοντας τον δικό μας ήλιο με αυτόν τον τρόπο, θα έπρεπε να ανιχνεύσει μια μικροσκοπική αλλαγή στην κίνηση του ήλιου - μια διακύμανση στην ταχύτητα μόλις 13 μέτρων ανά δευτερόλεπτο εκτεινόμενη τη διάρκεια των 12 ετών, ο χρόνος που χρειάζεται ο Δίας για να κάνει μια τροχιά.
Ένας τρόπος για να επιταχυνθεί η αναζήτηση ήταν να κοιτάξουμε προσεκτικά πολλά αστέρια ταυτόχρονα. Έχοντας αυτό κατά νου, ο Mayor και ο Queloz κατασκεύασαν έναν νέο τύπο φασματογράφου - μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση με ακρίβεια των συχνοτήτων του φωτός που προέρχεται από ένα αστέρι. Αυτός ο νέος φασματογράφος, που ονομάζεται Elodie, τους επέτρεψε να μετρήσουν ταυτόχρονα το φως που προέρχεται από 142 αστέρια. Χρησιμοποιώντας το, εντόπισαν μια περιοδική μετατόπιση στο φως που προέρχεται από το αστέρι 51 Pegasi, ένα αστέρι που μοιάζει με ήλιο στον αστερισμό του Πήγασου. Η διάρκεια της περιόδου, και επομένως ο χρόνος που χρειάστηκε για τον υποτιθέμενο πλανήτη να κάνει κύκλους γύρω από το άστρο υποδοχής του, ήταν μόλις τέσσερις ημέρες, πολύ λιγότερο από το αναμενόμενο. Αλλά η σύντομη περίοδος τους επέτρεψε να παρατηρήσουν πολλούς κύκλους και αυτό επέτρεψε σε άλλους αστρονόμους να επιβεβαιώσουν την ανακάλυψη σε σχετικά σύντομη σειρά.
Αυτό το εύρημα αποκάλυψε μια προηγουμένως κρυμμένη διάσταση στο σύμπαν. Ο Mayor και ο Queloz έδειξαν ότι το ηλιακό μας σύστημα δεν ήταν μοναδικό, ότι άλλα πλανητικά συστήματα ήταν εκεί έξω και περίμεναν να ανακαλυφθούν. «Η ανακάλυψη Mayor και Queloz ξεκίνησε από το πεδίο των εξωπλανητών», δήλωσε η Sara Seager, αστροφυσικός και κυνηγός πλανητών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. "Είναι τόσο απλό."
Τα μυαλά και τα χρήματα χύθηκαν γρήγορα στην αναζήτηση. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Corot για κυνήγι εξωπλανητών εκτοξεύτηκε το 2006, ακολουθούμενο από το Kepler το 2009 και το TESS το 2018. Ο αριθμός των γνωστών εξωπλανητών ανέρχεται σήμερα σε περισσότερους από 4.000. Κυμαίνονται από βράχους που μοιάζουν με τη Γη μέχρι γίγαντες νάνους του Δία. Μερικοί έχουν τη δική τους ατμόσφαιρα. Άλλοι έχουν νερό. Ο αριθμός και η ποικιλία τους ανάγκασαν τους αστρονόμους να ξαναγράψουν τους κανόνες για το πώς δημιουργούνται οι πλανήτες. Οι αστρονόμοι υπολογίζουν τώρα ότι οι πλανήτες είναι περισσότεροι από τα αστέρια — με εκατοντάδες δισεκατομμύρια μόνο στον γαλαξία μας.
Με την πρώτη ματιά, το σημερινό Νόμπελ φαίνεται να τιμά δύο πολύ διαφορετικά επιτεύγματα. Το βραβείο στον Peebles είναι για την εργασία που εξερευνά τη δομή του σύμπαντος στο σύνολό του. Ο Mayor και ο Queloz, αντίθετα, βρήκαν έναν πλανήτη σαν τον Δία γύρω από ένα κοντινό αστέρι. Αλλά αυτές οι ανακαλύψεις σηματοδοτούν δύο βαθιές αλλαγές που έχουν λάβει χώρα τα τελευταία 50 χρόνια. Το πρώτο είναι η δημιουργία της πρώτης πραγματικά επιστημονικής και ποσοτικής ιστορίας για το πώς φτάσαμε εδώ. Το δεύτερο είναι η εκπληκτική επανεξέταση του πού ακριβώς βρισκόμαστε.
Αποκάλυψη:Ο Didier Queloz και ο Paul Steinhardt έχουν λάβει χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό.
