Nobelova nagrada za fiziko 2019

Nobelov teden se tradicionalno nadaljuje z razglasitvijo nagrajencev za fiziko, ki so letos postali kanadski fizik Jim Peebles (1/2), švicarski astrofizik Michel Mayor in švicarski astronom Didier Queloz (vsak 1/4). Nagrado so prejeli za prispevek k razumevanju razvoja vesolja in mesta Zemlje v vesolju. Peebles se je ukvarjal s teorijo velikega poka in sestave vesolja, Mayor in njegov doktorski študent Queloz pa sta v Rimski cesti odkrila prvi eksoplanet.

Letošnji nagrajenci so s svojim raziskovalnim delom pomagali poiskati odgovore na ključna vprašanja, ki si jih ljudje zastavljamo, odkar zremo v vesolje. A šele v zadnjem stoletju smo dobili odgovore, ki so iz špekulacij naredili znanost in iz ugibanja napovedi. Še v 19. stoletju je bilo vesolje, za katerega smo sicer imeli solidne zemljevide, v očeh znanstvenikov večno in nespremenljivo. Planeti (in še kaj) so res krožili okoli Sonca v predvidljivih ciklih, a vesolje je v svoji osnovi ostajalo enako. Ko so astronomi v 20. letih minulega stoletja odkrili, da se galaksije v resnici oddaljujejo druga od druge - je to pomenilo pomemben pretres. Ne le, da vesolje ni nespremenljivo; če se vse oddaljujejo, potem mi (in nihče drug) nismo v središču vesolja, ker tega sploh ni. Vesolje se širi. To je v resnici napovedal že Einstein deset let pred tem, ko je pogledal rešitve svojih enačb, in jim potem dodal kozmološko konstanto, da so napovedale nespremenljivo vesolje. Kasneje se je pokazalo, da ta ni potrebna, Einstein pa jo je nekoč označil kot veliko zablodo.

Ker ima vesolje (ali pa usoda) smisel za ironijo, se je kozmološka konstanta pol stoletja pozneje spektakularno vrnila. Če se vesolje širi, pomeni, da je bilo v preteklosti manjše kot danes. Ekstrapolacija do začetka, ki je bil pred okrog 13,8 milijardami let, privede do velikega poka. Nekoč je bilo vesolje zgoščeno v točko, kar štejemo kot začetek časa, prostora in vsega. Vprašanja, kaj je bilo pred tem, so približno tako nesmiselna, kot vprašanje, kaj je severno od Severnega tečaja. Ko so znanstveniki odkrili in smo kot družba kasneje ponotranjili, da se vesolje širi, sta bili pričakovani možnosti dve. Bodisi se bo na neki točki širjenje ustavilo in se bo začelo veliko krčenje ali pa se bo širjenje upočasnjevalo, a nadaljevalo v neskončnost.

Za zdaj lahko raziskujemo le dogajanje po velikem poku, ker sploh ne vemo, ali je smiselno govoriti o čemerkoli pred tem. Po 400.000 letih se je vesolje dovolj ohladilo, da so se elektroni in protoni spojili v atome. Nastali so atomi vodika in helija, ko se je megla razkadila. Vesolje je namreč postalo prosojno za fotone, zato je to najstarejši dogodek, ki ga sploh lahko opazujemo. Arno Penzias in Robert Wilson sta leta 1964 prva zaznala ostanke rojstva vesolja, za kar sta leta 1978 dobila Nobelovo nagrado. Pri tem pa sta se oprla na izračune Jamesa Peeblesa, ki je že pred tem izračunal, da bi mikrovalno sevanje ozadja moralo obstajati. Kasneje je ugotovil, da lahko z analizo tega sevanja ozadja ugotovimo marsikaj, denimo koliko je staro vesolje, koliko je v njem snovi in energije, v kaj se bo spremenilo.

Vsaj 80 let tudi že vemo, da je v vesolju mase več, kot je vidimo. V nasprotnem primeru namreč galaksije ne bi krožile s hitrostmi, s katerimi krožijo. Izračuni kažejo, da je nevidne, temne mase vsaj petkrat več od vidne mase. Peebles je leta 1982 predpostavil, da gre za težke in počasne delce hladne mase. Danes vemo, da je v vesolju temne mase 26 odstotkov, ne vemo pa, kaj je.

Če je temne mase 26 odstotkov in običajne mase morda pet odstotkov, kje se skrivna preostanek in kako vemo, da sploh nekaj še mora biti? Vesolje ima določeno ukrivljenost, kakor jo ima list papirja, če nanj postavimo utež. Meritve kažejo, da je ukrivljenost vesolja natanko 0, torej ni ne hiperbolično ne sferično. Vzporednice se v vesolju nikoli ne sekajo niti oddaljijo. Problem pa je, da je v vesolju premalo snovi, da bi bilo to možno. Peebles je leta 1984 v razlagi predpostavil temno energijo, ki predstavlja 69 odstotkov vesolja. Z drugimi besedami: uvedel je kozmološko konstanto 2.0. To se je do leta 1998 zdela neposrečena rešitev, nekakšen obliž, ki ga prilepimo na enačbe, ki ne delujejo pravilno. Tedaj pa so Saul Perlmutter Brian Schmidt in Adam Riess odkrili, da se vesolje širi pospešeno (in leta 2011 dobili Nobelovo nagrado). Medtem ko snov upočasnjuje širjenje, ker je gravitacija privlačna, se vesolje širi čedalje hitreje. Vesolje se torej širi pospešeno, ker ga razpenja temna energija.

Druga polovica Nobelove nagrade pa povzema zgodbo o tem, kako so planeti Osončja izgubili nebeški status. Seveda je bilo že od začetka jasno, da najbrž v milijardah galaksij z milijardami zvezd niso edini, a drugih nismo poznali. Michel Mayor in Didier Queloz pa sta leta 1995 odkrila planet 51 Pegasi b, ki kroži okrog zvezde 51 Pegasi. Zvezda, ki je 50 svetlobnih let od Zemlje, in planet, na katerem leto traja štiri dni. To pomeni, da je na njem vroče (1000 °C), ker je osem milijonov kilometrov od zvezde (Zemlje je od Sonca 150 milijonov kilometrov). Toda 51 Pegasi b, čeprav nič podoben Zemlji, 300-krat težji od nje in neskončno bolj vroč, je bil prvi. Padla je prva kocka in odkrivanje eksoplanetov se je začelo.

Odkrivanje eksoplanetov ni enostavno, ker planeti ne svetijo. Odkrijemo jih na več načinov: na primer ker zvezda malo spreminja lokacijo ali ko potujejo pred zvezdo in ta z našega gledišča utripne. V prvem primeru gre za preprosto dejstvo, da zvezde in planeti krožijo okrog skupnega težišča, ki pa je globoko v zvezdi. Jupiter povzroči, da se Sonce giblje s hitrostjo 12 m/s, Zemlja pa ga premakne zgolj za 0,09 m/s. To se meri z izkoriščanjem Dopplerjevega efekta. Mayor je že leta 1977 na teleskop namestil spektrograf, a je lahko zaznal spremembe lokacije zvezde s hitrostjo 300 m/s. Šele ko mu je pomagal doktorski študent Queloz, sta izdelala sistem, ki je zmogel natančnost 10-15 m/s, kar je bilo dovolj, da sta leta 1995 odkrila prvi eksoplanet.

Danes se uporablja tudi tranzitna fotometrija, ko se svetlost zvezde malenkost zmanjša, če pred njo potuje planet in jo majhen del zakrije. Sedaj poznamo že več kot 4000 eksoplanetov, ki so najrazličnejših oblik in pogojev.