Fyrir hvaða rannsóknir voru Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði 2019 veitt?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Fyrir hvaða rannsóknir voru Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði 2019 veitt?
Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 2019 voru veitt annars vegar fyrir rannsóknir sem snúa að heimsfræði og hins vegar fyrir mælingar á fjarreikistjörnum. Störf verðlaunahafanna eiga það sameiginlegt að auka skilning okkar á þróun alheimsins og sérstöðu jarðarinnar.

Prófessor James E. Peebles fékk verðlaunin fyrir framlag sitt til kennilegrar heimsfræði. Peebles var einn af leiðtogum byltingar í heimsfræði sem hófst á 7. áratug síðustu aldar samhliða nýjum mælingum á ljósi frá örbylgjukliðnum. Fyrstu mælingar á örbylgjukliðnum renndu stoðum undir kenningar um útþenslualheim; alheim sem hefði gengið í gegnum ýmis þróunarstig samhliða útþenslu og kólnun í samræmi við almennu afstæðiskenninguna. Rannsóknir á örbylgjukliðnum hafa haft djúpstæð áhrif á þróun þess heimslíkans sem við notum í dag.

Á mynd 1 er þróun alheimsins lýst á einfaldan hátt. Útþensla og kólnun verður til þess að ljós hættir að víxlverka við venjulegt efni; örbylgjukliðurinn leggur af stað. Heimurinn heldur áfram að þenjast út svo þetta ljós tapar orku og í dag mælum við það með sjónaukum sem eru hannaðir til að nema örbylgjur. Þegar ljósið lagði af stað var það um það bil þúsund sinnum heitara. Mælingar á ljósinu má nota til að skorða líkön sem lýsa eiginleikum alheimsins.

Eitt af verkum Peebles var að endurmóta hugmyndir okkar um myndun frumefna í upphafi alheimsins. Útreikningar hans sýndu að aðeins léttustu frumefnin (vetni, helín og litín) myndast í kjarnasamrunaferli á fyrstu mínútunum í sögu alheimsins. Peebles sýndi jafnframt að tilvist annarra og þyngri frumefni verði því að útskýra með öðrum ferlum. Í dag vitum við að kjarnasamruni í massamiklum stjörnum getur framleitt þyngri frumefni sem síðan dreifast um alheiminn í kraftmiklum sprengingum. Hluti af þessum þyngri frumefnum blandast saman við geimþokur sem síðar verða að nýjum stjörnum og plánetum.

Eitt helst framlag Peebles til heimsfræðinnar tengist þéttleikasveiflum (eða bergmáli) frá ógnarheitu rafgasinu sem fyllti alheiminn í árdaga. Á fyrstu 380.000 árum í sögu alheimsins var víxlverkun ljóss og venjulegs efnis (meðal annars róteinda og rafeinda) afar sterk. Venjulegt efni átti það til að falla ofan í þyngdarmættisbrunna og draga ljóseindir með sér. Við það jókst þrýstingur frá ljósinu sem spornaði gegn þessari þjöppun. Peebles sýndi að ummerki þessara atburða væru falin í aflrófi örbylgjukliðsins. Um það bil 30 árum eftir þessa útreikninga tókst fyrstu tilraununum að mæla þetta alheimsbergmál og renna enn frekari stoðum undir Miklahvellskenninguna.

Peebles sýndi einnig hvernig hægt væri að nota hugmyndir um kalt hulduefni, það er að segja hulduefni sem ferðast talsvert hægar en ljósið, til þess að útskýra ýmsar stjarneðlisfræðilegar athuganir. Að sama skapi má segja að Peebles hafi endurvakið hugmyndir um heimsfastann (e. cosmological constant) sem Albert Einstein kynnti upprunalega til sögunnar snemma á 20. öldinni en gaf seinna upp á bátinn. Mælingar á ljósbirtu sprengistjarna sem fall af rauðviki gefa til kynna að útþensla alheimsins sé að aukast og viðteknar kenningar í dag segja að sú útþensla sé knúin af einhvers konar heimsfasta eða hulduorku.

Um það bil áratug eftir að Peebles hafði kynnt til sögunnar alla helstu þætti þessa heimsfræðilíkans urðu kaflaskil á öðrum stað í heimi stjarnvísindanna. Árið 1995 birtu Michel Mayor og Didier Queloz mælingar sem sýndu fram á tilvist plánetu í nálægu stjörnukerfi. Þessar og sambærilegar mælingar leiddu af sér nýtt svið í stjörnufræði sem almennt tengist rannsóknum á fjarreikistjörnum. Nýlegar mælingar, og mætti þá sérstaklega nefna mælingar Kepler-gervitunglsins, hafa gjörbreytt hugmyndum okkar um sérstöðu jarðarinnar í vetrarbrautinni og því líklega alheiminum.

Mayor og Queloz sýndu fram á tilvist fjarreikistjörnu með því að skoða áhrif hennar á hreyfingu móðurstjörnunnar, 51 Pegasi (sjá mynd 2). Tímaháð Dopplerhrif í litrófi móðurstjörnunnar gáfu til kynna að massamikil pláneta, um það bil tvisvar sinnum massameiri en Júpíter, væri á sporbraut um móðurstjörnuna í fjarlægð sem er sjö sinnum styttri en vegalengdin milli Merkúríusar og sólarinnar okkar. Plánetan sem þeir uppgötvuðu er því að öllum líkindum ekki lífvænleg en aðrar mælingar virðast benda til þess að til séu lífvænlegar plánetur þar sem aðstæður eru kannski ekki svo ólíkar aðstæðum á jörðinni.

Fyrir þessa uppgötvun fengu Mayor og Queloz hálf Nóbelsverðlaunin á móti Peebles.

Frá fyrstu mælingum Mayor og Queloz hefur nú tekist að staðfesta tilvist meira en 4.000 fjarreikistjarna. Til þess hafa ýmsar mæliaðferðir verið notaðar. Fyrir utan Dopplerhrifsaðferðina sem tvíeykið beitti mætti helst nefna mælingar á þvergöngu fjarreikistjarna. Sé sjónauka beint að stjörnu á sama tíma og reikistjarna skyggir á hluta móðurstjörnunnar dregur örlítið úr ljósstyrk og muninn er hægt að nema með nákvæmum mælitækjum. Fjölmargir sjónaukar taka nú þátt í verkefnum sem að tengjast leit að fjarreikistjörnum og fleiri sjónaukar, meðal annars nokkrir geimsjónaukar, munu bætast í hópinn á næstu árum.

Áframhaldandi rannsóknir á fjarreikistjörnum munu auka skilning okkar á þróunarferlum sólkerfa. Við munum jafnframt skilja betur hversu líklegt sé að lífvænlegar aðstæður, eins og þær sem við þekkjum hér á jörðinni, myndist í fjarlægum sólkerfum.

Heimildir og myndir:

• The Nobel Prize in Physics 2019 - NobelPrize.org. (Sótt 21.10.2019).
• Scientific background: Physical cosmology and an exoplaente orbiting a solar-type star. (Sótt 21.10.2019).
• Báðar myndirnar eru fengnar úr kynningarefni Nóbelsnefndarinnar. Seinni myndin er lítillega aðlögðuð Vísindavefnum.

...