Premiul Nobel pentru fizică pentru descoperiri despre evoluția universului și exoplanetele

Două seturi de descoperiri cosmice au câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 2019.

Jumătate din premiul de 9 milioane de coroane suedeze (aproximativ 900.000 de dolari) îi revine lui James Peebles de la Universitatea Princeton, care a descoperit noi instrumente teoretice pentru a studia universul. Cercetările sale includ studii ale fundalului cosmic cu microunde, sau CMB, lumina emisă la începutul istoriei universului. Lucrarea a ajutat în cele din urmă la dezvăluirea componentelor misterioase ale cosmosului – materia întunecată și energia întunecată.

A doua jumătate a premiului este acordată lui Michel Mayor de la Universitatea din Geneva și Didier Queloz de la Universitatea din Geneva și Universitatea din Cambridge, pentru prima descoperire a unei exoplanete care orbitează o stea de tip solar (SN: 25/11/95). Această descoperire a remodelat înțelegerea de către oamenii de știință a cartierului nostru cosmic.

Ambele descoperiri dezvăluie componente fundamentale ale universului care sunt invizibile pentru ochii oamenilor. Lucrările lui Peebles au ajutat la stabilirea faptului că doar 5% din conținutul universului este materia obișnuită care formează planetele și oamenii (SN: 7/24/18). Restul este atât materie întunecată (aproximativ 27 la sută), care abia atinge materia obișnuită decât prin gravitație, cât și energie întunecată (aproximativ 68 la sută), care forțează universul să se extindă din ce în ce mai repede.

Descoperirea CMB a câștigat un premiu Nobel în 1978 (SN: 21/10/78), iar descoperirea energiei întunecate a câștigat un premiu Nobel în 2011 (SN: 10/4/11).

Folosind o ceașcă de cafea ca o metaforă a universului timpuriu, membrul comitetului Nobel și fizicianul Ulf Danielsson a descris materia obișnuită ca un pic de zahăr stropit în lichidul învolburat, reprezentând materia întunecată și energia întunecată. Acea mică stropire de materie „este ceea ce a fost știința de mii de ani – până acum”, a spus el.

Prin munca lui Peebles, „cosmologia a evoluat într-o știință a preciziei”, a spus Danielsson.

Fizicienii l-au lăudat pe Peebles după anunțarea premiului. „Jim se numără printre părinții cosmologiei fizice care au pus bazele teoriei standard remarcabile de succes a structurii și istoriei universului”, a declarat fizicianul David Gross, președintele Societății Americane de Fizică, într-un e-mail.

Acea teorie standard a universului este cunoscută sub numele de lambda-CDM. Peebles „are amprentele lui peste tot”, spune cosmologul Michael Turner de la Universitatea din Chicago. „El a fost implicat în fiecare dezvoltare majoră din cosmologie în ultimii 50 de ani.”

Cosmologul Jo Dunkley, coleg cu Peebles la Princeton, rezumă reacția cosmologilor de la universitate: „Da, desigur că a primit Premiul Nobel. El a făcut acest câmp.”

Într-o conferință de presă susținută mai târziu în cursul zilei la Princeton, Peebles părea copleșit de recunoașterea colegilor săi. „Acum știu cum se simt starurile rock”, a glumit el. El a observat că în cosmologie rămân o mulțime de întrebări, cum ar fi identitatea materiei întunecate și a energiei întunecate. „Putem fi foarte siguri că, pe măsură ce descoperim noi aspecte ale universului în expansiune și evoluție, vom fi uimiți și uimiți din nou.”

După Big Bang-ul de acum 13,8 miliarde de ani, universul în curs de dezvoltare a fost un nămol aproape uniform, cu doar mici variații ale densității materiei. Lucrarea lui Peebles explică modul în care universul s-a transformat de-a lungul eilor într-un cosmos plin cu structuri complexe precum galaxiile, ca urmare a forței gravitaționale predominante. „El a fost unul dintre oamenii cheie care a dezvoltat întregul cadru de formare a structurii”, spune Priyamvada Natarajan de la Universitatea Yale. Peebles a arătat că „materia întunecată era pe scaunul șoferului”. Influența particulelor de materie întunecată încă nedetectate a fost esențială pentru formarea structurilor cosmosului observate astăzi.

Structurile din univers s-au format pe o gamă largă de scări de dimensiuni, rezultând nu numai obiecte enorme, cum ar fi clusterele de galaxii, ci și locuitori mai mici din interiorul lor, cum ar fi stelele și planetele lor – inclusiv exoplaneta descoperită de Mayor și Queloz. Onorarea ambelor descoperiri, spune Natarajan, este „o sărbătoare a înțelegerii umane a celor mai mari și a celor mai mici scale. Ambele sunt frontiere.”

La fel ca materia întunecată și energia întunecată, descoperirea lui Mayor și Queloz – prima exoplanetă din jurul unei stele asemănătoare soarelui – nu a fost nici ea vizibilă direct. În 1995, Mayor și Queloz au găsit o planetă cu masa lui Jupiter, care orbitează în jurul stelei 51 Pegasi, urmărind modul în care planeta a tras de stea. Gravitația planetei a făcut ca steaua să se clătinească ușor înainte și înapoi, făcând ca lumina stelelor să treacă de la puțin mai albastră la puțin mai roșie pe măsură ce steaua se deplasa spre și departe de Pământ.

Prima planetă, 51 Pegasi b, nu semăna cu nimic din ceea ce există în sistemul nostru solar. Se află mai aproape de stea sa decât Mercur de soare. Oamenii de știință au crezut că este imposibil ca planetele gigantice să se formeze atât de aproape de stelele lor, până când au găsit una.

Astronomii cred acum că planetele gigantice se formează probabil departe de stelele lor și migrează spre interior pentru a deveni Jupiteri fierbinți. Ideea că planetele se pot amesteca în jurul orbitelor lor a fost folosită de atunci pentru a explica unele mistere ale propriului nostru sistem solar (SN: 25/05/05).

„Acest [migration] a fost un ingredient major al scenariului formării planetare, iar astăzi toate scenariile trebuie să includă acest tip de fenomene”, a spus Mayor într-un interviu postat online pe 8 octombrie de nobelprize.org.

Când Queloz a aflat că descoperirea lor a câștigat, „a încetat să mai respire”, a spus el pentru nobelprize.org. „Sunt în continuare complet uluit de știri.”

De la descoperirea lui 51 Pegasi b, peste 4.000 de exoplanete au fost găsite în jurul unor stele îndepărtate. Astronomii pot studia acum sistemele planetare individuale și populațiile planetelor în ansamblu pentru a înțelege cum se formează și evoluează lumi extraterestre. Oamenii de știință plănuiesc, de asemenea, cum să caute semne de viață în atmosferele exoplanetelor (SN: 10/4/19).

„Există un motiv [51 Pegasi b] a fost găsit primul – este cel mai ușor tip de planetă de găsit”, spune cercetătorul exoplanetist David Charbonneau de la Universitatea Harvard. Planetele mari, cu orbită apropiată, au cea mai mare influență asupra stelelor lor.

Din 51 Pegasi b, „astronomii s-au îndreptat către planete mai mici și planete mai reci” care seamănă mai mult cu Pământul, spune Charbonneau. „Există o cantitate enormă de entuziasm în domeniu că, cu telescoapele potrivite, chiar am putea… să aflăm dacă există sau nu viață pe alte planete.”

Charbonneau spune că „a venit timpul” ca știința exoplanetelor să fie recunoscută cu un premiu Nobel. „Comunitatea a fost într-adevăr de acord că descoperirea lui 51 Peg a fost descoperirea care a aprins cu adevărat câmpul”, spune el.

Alți oameni de știință din exoplanetă au fost mai surprinși. Sara Seager de la MIT nu se aștepta ca domeniul ei să câștige onoarea maximă. „Am fost atât de uimită”, spune ea.

Premiul este un impuls uriaș pentru știința exoplanetelor, pe care unii o consideră încă „un efort frivol, aproape de colecție de timbre”, spune ea. În doar 25 de ani, „am trecut de la o margine obscure și de râs la o știință obișnuită care merită premiul Nobel”.