Nobelio fizikos premija – už Visatos ir mūsų vietos joje tyrimus

Šiandien, spalio 8 dieną, paskelbti 2019 metų Nobelio fizikos premijos laureatai. Jais tapo teorinės kosmologijos vienas iš pradininkų Jamesas Peeblesas ir du egzoplanetų tyrėjai Michelis Mayoras ir Didier Quelozas. Švedijos karališkosios mokslų akademijos atstovai, teikiantys premiją, šių mokslininkų nuopelnus bendrai apibūdino taip: „už indėlį į mūsų supratimą apie Visatos evoliuciją ir Žemės vietą kosmose“. Tokia didingai skambanti, bet aptaki, formuluotė slepia gana netradicišką sprendimą: įprastai Nobelio premija teikiama už vieną gana aiškų atradimą ar kelis glaudžiai susijusius pasiekimus, tuo tarpu šių metų laureatai atstovauja, galima sakyti, visiškai priešingas astrofizikos atšakas. J. Peeblesas yra teoretikas, tyrinėjantis Visatos evoliuciją didžiausiais masteliais, tuo tarpu M. Mayoras ir D. Quelozas atliko stebėjimus, kuriais aptikta pirmoji egzoplaneta prie žvaigždės, panašios į Saulę.

Premijos laureatai James Peebles, Michel Mayor ir Didier Queloz. Niklas Elmedhed iliustracija. Šaltinis: Nobel Media

Peebleso atradimai daugiausia padaryti praeito amžiaus septintajame-aštuntajame dešimtmečiais. Tuo metu Didžiojo sprogimo teorija buvo tik neseniai nuvertusi konkurentę – Nuolatinio būvio Visatos modelį – kaip geriausias stebimos Visatos savybių paaiškinimas. Dar tik miglotai buvo suprantama, kad Visata turėjo pradžią ir kada toji pradžia nutiko. 1964 metais du jauni astronomai, Arno Penziasas ir Robertas Wilsonas, aptiko iš visų dangaus pusių sklindančią mikrobangų spinduliuotę; Peeblesas kartu su kolegomis teoretikais, sužinoję apie atradimą, teisingai interpretavo jį kaip Didžiojo sprogimo „aidą“ – kosminę foninę spinduliuotę, laisvai sklindančią Visatoje nuo 380 tūkstančių metų po Visatos atsiradimo. Nors Peeblesas toli gražu nebuvo pirmasis, teoriškai apskaičiavęs tokios spinduliuotės egzistavimą, jo indėlis buvo svarus patvirtinant atradimo reikšmę. 1978 metais Penziasas ir Wilsonas už šį atradimą pasidalino Nobelio premiją.

Kosminės foninės spinduliuotės žemėlapis. Planck teleskopo duomenys. Šaltinis: Planck/ESA

Aštuntajame dešimtmetyje Peeblesas vystė Didžiojo sprogimo teoriją, ypač jos atšaką, nagrinėjančią kosminių struktūrų formavimąsi. Juk Visatai tik atsiradus, prieš beveik 14 milijardų metų, medžiaga joje buvo pasiskirsčiusi beveik tolygiai. Tik vėliau ėmė formuotis kosminis voratinklis – galaktikų spiečiai, galaktikos ir šiuos telkinius jungiančios retos medžiagos gijos. Peebleso teoriniai skaičiavimai reikšmingai prisidėjo prie augančio supratimo apie struktūrų formavimosi spartą, jų tipinius dydžius ir kaip šios savybės siejasi su Visatos pagrindinėmis sudedamosiomis dalimis. Pavyzdžiui, jo dėka supratome, kad struktūros formavimuisi būtina tamsioji materija, su įprastine sąveikaujanti tik gravitaciškai. Vėlesni stebėjimai parodė, kad Visata plečiasi greitėdama ir prie įprastos bei tamsiosios materijos pridėjo ir tamsiąją energiją – už šį atradimą taip pat skirta Nobelio premija, šįkart 2011 metais.


Medžiagos pasiskirstymas Visatos dalyje (skaitmeninio modelio IllustrisTNG rezultatų atvaizdas). Kiekvienas tamsus taškelis yra galaktika, jos telkiasi į spiečius, o tarp spiečių driekiasi ilgos vijos. Nuotrauka apima 400 megaparsekų (1,2 mlrd. šviesmečių) iš kairės į dešinę. Šaltinis: IllustrisTNG Collaboration

Taigi, J. Peebleso darbai padėjo mums suprasti, kaip Visata atsirado, kaip ji tapo tokia, kokią matome, ir kaip ji turėtų vystytis ateityje. M. Mayoro ir D. Quelozo atradimas yra fiziškai gerokai mažesnio mastelio, bet ne menkesnės reikšmės. 1995 metais jie paskelbė atradę planetą Pegaso 51 b – pirmąją planetą, besisukančią aplink žvaigždę, panašią į Saulę. „Panaši“ šiuo atveju reiškia, kad žvaigždė yra pagrindinėje sekoje – branduolyje vykdo vandenilio sintezę į helį ir taip gamina energiją. Apie planetų už Saulės sistemos ribų egzistavimą buvo kalbėta nuo pat tada, kai žmonės suprato, kad žvaigždės iš principo yra tokie patys objektai, kaip ir Saulė. Bandymų jas aptikti buvo dar XIX amžiuje, bet jie nebuvo sėkmingi. 1988 metais aptikta planeta prie žvaigždės Cefėjo Gamos A, tačiau duomenų analizės klaida nulėmė, kad planetos egzistavimas patvirtintas tik 2002-aisiais. 1989-aisiais aptikta žvaigždės HD 114762 kompanionė ilgą laiką laikyta ne planeta, o didesniu objektu – rudąja nykštuke, bet 2012 metais patvirtinta kaip planeta. 1992 metai žymėjo pirmąją patvirtintą egzoplanetą, tiksliau netgi dvi: prie pulsaro PSR B1257+12 atrastos dvi keletą kartų už Žemę masyvesnės kompanionės. Pulsaras yra seniai mirusi žvaigždė, susitraukusi į kelių dešimčių kilometrų skersmens neutronų rutulį, ir skleidžiantį stiprų siaurą besisukantį spinduliuotės srautą; žiūrint iš Žemės atrodo, kad objektas žybsi reguliariais intervalais – iš čia ir pavadinimas. Šis atradimas nustebino astronomus, nes buvo manoma, kad supernova sprogstanti žvaigždė turėtų sunaikinti savo planetas, o čia buvo gyvas pavyzdys, kad taip nenutinka.

Dailininko vizualizacija, kaip galėtų atrodyti planetos prie pulsaro PSR B1257+12. Pulsaras yra spinduliuotės šaltinis fone. Šaltinis: NASA

Visgi 1995 metų atradimas yra svarbus ir išskirtinis dėl dviejų priežasčių. Pirma – jis parodė, kad ir prie panašių į Saulę žvaigždžių esančias planetas įmanoma aptikti. Metodas, naudotas PSR B1257+12 planetoms aptikti, nėra tinkamas į Saulę panašioms žvaigždėms, nes remiasi būtent pulsaro periodinių signalų atsklidimo variacijomis. Tuo tarpu Pegaso 51 sistemos planeta atrasta stebint, kaip juda jos žvaigždė ir užfiksavus periodiškai pasikartojančius jos greičio pokyčius. Šie pokyčiai reiškia, kad žvaigždė kartais artėja prie mūsų sparčiau, kartais – lėčiau, nes sukasi aplink bendrą masės centrą su planeta. Apskaičiuota planetos masė siekia bent pusę Jupiterio masės – dėl šios priežasties planeta šiuo metu oficialiai pavadinta Dimidija, nuo lotyniško žodžio, reiškiančio „pusę“. Tačiau atstumas nuo planetos iki žvaigždės yra 19 kartų mažesnis, nei nuo Žemės iki Saulės – mažiau nei aštuoni milijonai kilometrų. Tai yra antras svarbus atradimo aspektas – Pegaso 51 planetinė sistema yra visiškai kitokia, nei Saulės. Dimidijos atradimas privertė išmesti beveik visas ligtolines hipotezes apie planetų formavimąsi ir pradėti galvoti iš naujo.

Planeta Dimidija ir jos žvaigždė Pegaso 51. Dailininko vizualizacija. Šaltinis: ESO/L. Benassi

Per ketvirtį amžiaus nuo M. Mayoro ir D. Quelozo atradimo egzoplanetų tyrimų sritis išaugo į vieną didžiausių ir produktyviausių astrofizikos šakų. Egzoplanetų jau žinome daugiau nei 4000, skaičiuojama, kad jų Paukščių Take turėtų būti daugiau, nei žvaigždžių. Saulės sistema yra tik viena iš daugelio, ir gana neįprasta. Planetų formavimosi bei jų sistemų evoliucijos modeliai padeda paaiškinti, kaip iš dulkių ir dujų disko prie jaunos žvaigždės susiformuoja uoliniai bei dujiniai rutuliai, kuriuose kartais gali užsimegzti ir gyvybė. Šitaip, tyrinėdami kosmosą, geriau susipažįstame ir su savo pačių planetos kilme bei gyvenimu.


Patvirtintų egzoplanetų skaičius kiekvienų metų pabaigoje (2019 metų duomenys nepilni). Spalvos žymi planetų aptikimo būdus. Pegaso 51 b aptikta radialinių greičių metodu, kuris pradžioje buvo daugiausiai naudojamas, bet vėliau, Keplerio teleskopo dėka, jį nukonkuravo tranzitų metodas. Šaltinis: NASA Exoplanet Archive

Pabaigai – įdomioji statistika. Per pastarąjį dešimtmetį du kartus Nobelio fizikos premija skirta už astronominius atradimus: šiemet ir 2011 metais už greitėjantį Visatos plėtimąsi. Dar du kartus Nobelio premija skirta už atradimus, glaudžiai susijusius su astrofizika: 2017 metais už gravitacines bangas bei 2015 už elementariųjų dalelių neutrinų svyravimų atradimą. Astrofizika po truputį tampa viena iš pagrindinių fizikos mokslo sričių, plečiančių mūsų supratimą apie Visatą – ir fundamentalias jos erdvės ir sandaros savybes, ir planetų įvairovę, ir kitus savaip įdomius aspektus.

Laiqualasse

2 comments

  1. Patvirtintų egzoplanetų pagal aptikimo būdus grafikas rodo, kad tranzitai išlieka pagrindiniu aptikimo būdu, kurį vejasi greičių pokyčio būdas. Bet tai reiškia, kad tranzitų atveju tų žvaigždžių ekliptikos plokštumos labai nedidelėmis paklaidomis turi sutapti su stebėtoju, t.y. mumis, kitaip tos planetos neliestų jų žvaigždės disko. Gi radialinio greičio pokyčio būdas irgi efektyvus tuomet kai žvaigždžių ekliptikos ne perdaug nutolusios nuo stebėtojo, nes jei jos būtų artimesnės stačiąjam kampui, tai nesigautų to judėjimo artyn-tolyn. Pati žvaigždė, turint omeny milžinišką atstumą iki mūsų, į šonus tampoma labai nežymiai (nebent jos palydovas – kandidatas į rudąsias nykštukes) – klausimas ar šiuo metu yra galimybių pastebėti tokį menką padėties pakitimą. Gal žvaigždžių ekliptikos mūsų atžvilgiu priklauso nuo jų išsidėstymo Galaktikos plokštumoje, tad ties tokiomis daugumas egzoplanetų ir aptinkama? Kitas gal tik pagal planetų atspindimą šviesą bus įmanoma aptikti, jei jos ne per toli ir pačios planetos didelės?

    1. Labai teisingi pastebėjimai apie tranzitams ir radialiniams greičiams reikalingą plokštumos konfigūraciją. Statmena plokštuma išsidėsčiusią planetinę sistemą teoriškai galėtume aptikti astrometrijos (žvaigždės padėties matavimo) būdu, bet tą padaryti labai sudėtinga. Kol kas taip aptiktos tik kelios planetos, bet manoma, kad viskas dėl nepakankamo jautrumo. Kitaip tariant, šiandieniniai duomenys neleidžia teigti, kad egzoplanetų orbitos išsidėsčiusios ne atsitiktinėmis kryptimis, žvelgiant iš Žemės. Bet neleidžia ir tokios hipotezės vienareikšmiškai paneigti.

Komentuoti: Laiqualasse Atšaukti atsakymą

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *