"Помилка" Ейнштейна і полювання на екзопланети. За що дали Нобелівську премію з фізики 2019

Відзначені науковою нагородою вчені перевернули уявлення про історію всесвіту і намітили шляхи до пошуку позаземних цивілізацій

"Помилка" Ейнштейна і полювання на екзопланети. За що дали Нобелівську премію з фізики 2019
Джеймс Піблс, Мішель Майор і Дідьє Кело Фото з відкритих джерел

Відзначені науковою нагородою вчені перевернули уявлення про історію всесвіту і намітили шляхи до пошуку позаземних цивілізацій

У Стокгольмі триває Нобелівський тиждень. Другий день традиційно був присвячений фізикам. У 2019 році престижною нагородою відзначили трьох вчених. Половину суми премії присудили професору Прінстона, де працював сам Ейнштейн, Джеймсу Піблсу. За своє життя 84-річний учений зробив настільки величезний внесок у космологію, що перетворив її з абстрактної теорії на вельми авторитетну науку. Залишок нагороди поділили порівну між швейцарцями Мішелем Майором (Університет Женеви) і Дідьє Кело (також Університет Женеви і Кембридж). Вони першими виявили планету за межами нашої Сонячної системи. Наводимо пояснення Нобелівського комітету про їхні роботи.

Нобелівську премію з фізики за 2019 рік присудили вченим, які дали людству нове розуміння структури та історії всесвіту, і першими відкрили планету, що належить зірці сонячного типу поза межами нашої Сонячної системи. Лауреати цього року зробили величезний внесок у пошук відповідей на фундаментальні питання нашого існування. Що сталося на зорі існування всесвіту і що було потім? Чи можуть існувати в космосі планети, що обертаються навколо інших сонць?

Джеймс Піблс, можна сказати, взяв на себе весь космос з його мільярдами галактик і скупчень галактик. Теоретичні засади, які він розробляв понад два десятиліття, починаючи з середини 1960-х рр., стали основою сучасного розуміння історії всесвіту від Великого вибуху до наших днів. Відкриття Піблса привели до розуміння нашого космічного оточення, в якому відома науці матерія становить всього 5% від загальної кількості матерії та енергії, що містяться у всесвіті. Решта 95% приховані від нас. Це загадка і виклик сучасної фізики.

Мішель Майор і Дідьє Кело більш прицільно досліджували нашу рідну галактику – Чумацький шлях, у пошуках нових світів. У 1995 році вони вперше відкрили планету за межами нашої Сонячної системи. Виявлена швейцарцями екзопланета обертається навколо сонцеподібної зірки. Це відкриття поставило під сумнів наші ідеї про незвідані світи і призвело до революції в астрономії. На сьогодні відомо вже понад 4000 екзопланет, які дивують багатством форм, оскільки більшість цих планетних систем зовсім не схожі на ту, в якій ми живемо. Ці відкриття привели дослідників до розробки нових теорій про фізичні процеси, відповідальні за народження планет.

Народження космології Великого вибуху

Останні 50 років були золотим віком космології – науки про походження і розвиток всесвіту. В шістдесяті роки були закладені основи, що перетворили космологію з теорії в науку. І ключову роль у цьому зіграв Джеймс Піблс, відкриття якого змусили наукове співтовариство нанести космологію на мапу напрямків дослідження і розширити горизонти науки в цілому. Перша книжка вченого "Фізична космологія" (1971) надихнула ціле покоління фізиків зробити свій внесок у розвиток предмета, не тільки теоретичними дослідженнями, але й за допомогою спостережень та вимірювань. Адже тільки наука може відповісти на одвічне питання, звідки ми з'явилися і куди прямуємо. Космологія звільнилася від таких суто людських концепцій як віра і задум. Що здорово перегукується зі словами Альберта Ейнштейна, який на початку 20 століття говорив, що загадка світу полягає в його інтелектуальній осяжності.

Науково обґрунтована історія еволюції космосу існує лише останні 100 років. До того всесвіт вважали нерухомим і вічним, але у 1920-х роках астрономи виявили, що всі галактики віддаляються одна від одної і від нас. Всесвіт розширюється. Тепер ми знаємо, що сьогоднішній всесвіт відрізняється від вчорашнього, і вже завтра він вже буде іншим.

Те, що астрономи побачили в небі, раніше було передбачено загальною теорією відносності Ейнштейна (1916), яка наразі є основою всіх великомасштабних обчислень про всесвіт. Коли роздуми над основами цієї теорії привели легендарного вченого до неймовірного висновку, що простір космосу розширюється, він додав до своїх рівнянь космологічну константу – значення, що врівноважувало б ефекти гравітації і змушувало б всесвіт стояти на місці. Більш ніж десятиліття потому спостереження підтвердили – всесвіт все ж розширюється, тому потреба у цій константі відпала. Ейнштейн тоді назвав її найбільшою помилкою в житті. І він навіть не підозрював, що космологічна константа тріумфально повернеться у космологію у 1980-ті, не в останню чергу завдяки роботам Джеймса Піблса.

Перші промені всесвіту відкривають правду

Розширення Всесвіту означає, що колись він був набагато щільнішим і гарячішим. У середині 20 століття її народження нарекли Великим вибухом. Насправді точно сказати, що саме сталося у той момент, не може ніхто. Але ранній всесвіт був наповнений щільним, гарячим, непроникним туманом із частинок, в якому частинки світла – фотони – просто носились на всі боки.

Знадобилося майже 400 тисяч років розширення, щоб остудити цей первинний туман до кількох тисяч градусів Цельсія. Вихідні частинки тепер змогли об'єднуватися і формувати прозорий газ, що складається переважно з атомів водню і гелію. Фотони стали рухатися вільно і світло змогло переміщатися у просторі. Ці перші промені досі заповнюють космос. Розширення простору розтягнуло видимі світлові хвилі, і вони опинилися у діапазоні невидимих мікрохвиль з довжиною хвилі у декілька міліметрів.

Світіння від народження всесвіту вперше було випадково зафіксовано у 1964 році двома американськими радіоастрономами: нобелівськими лауреатами 1978 року Арно Пензіасом і Робертом Вілсоном. Вони ніяк не могли позбутися від постійного шуму, який їхня антена фіксувала всюди в космосі, так що стали шукати пояснення в роботах інших дослідників, в тому числі Джеймса Піблса, який провів теоретичні розрахунки цього всюдисущого фонового випромінювання. Виявилося, що за майже 14 мільярдів років його температура впала практично до абсолютного нуля (–273 ° C). А головний науковий прорив у цій сфері стався, коли Піблс зрозумів, що температура випромінювання може розповісти про те, скільки матерії було створено внаслідок Великого вибуху, і зрозумів, що виділення цього світла зіграло вирішальну роль у тому, як матерія може накопичуватися згодом, утворюючи галактики і галактичні групи, які ми зараз бачимо в космосі.

Відкриття мікрохвильового випромінювання призвело до нової ери в сучасній космології. Стародавнє випромінювання з часів зародження всесвіту, як виявилося, містить усі відповіді на запитання космологів. Скільки років нашому всесвіту? Яка його доля? Скільки у ньому існує матерії  з енергією?

Вчені можуть виявити сліди найперших миттєвостей всесвіту в цьому холодному післясвітінні, крихітних коливаннях, які звуковими хвилями поширюються крізь первинний туман. Без цих коливань космос міг охолонути так, що перетворитися із гарячої вогняної кулі на холодну і однорідну порожнечу. А, як ми знаємо, цього не сталося і наш космос заповнений галактиками, які часто збираються в скупчення. Фонове випромінювання нагадує поверхню океану, яка здається гладкою, а насправді зблизька виявляється вся покрита брижами від коливань, і вони можуть показати нам, як змінювався ранній всесвіт.

Раз за разом Піблс проводив інтерпретацію цього реліктового випромінювання із найраніших часів всесвіту. Із вражаючою точністю космологи змогли передбачити зміни фонового випромінювання і показати, як вони впливають на матерію і енергію у всесвіті.

Перший великий прорив в області спостережень стався у квітні 1992 року, коли головні дослідники американського супутникового проекту COBE представили зображення перших променів світла у Всесвіті (за це у 2006 році Джон Мезер та Джордж Смут також отримали Нобелівську премію). Інші супутники – американський WMAP та європейський "Планк" – поступово уточнювали цей портрет молодого всесвіту. Із все більшою точністю підтверджувалися розрахунки вмісту матерії та енергії у всесвіті, 95% яких при цьому залишаються невидимими для нас.

Twitter Нобелівського комітету

Темна матерія і темна енергія – найбільші загадки всесвіту

З 1930-х рр. ми знаємо, що видимий нами світ, в тому числі за межами Землі – це далеко не все, що існує у всесвіті. Вимірювання швидкостей обертання галактик показали, що вони повинні триматися купи під дією сили тяжіння з невидимої матерії, інакше їх розірве на частини. Вважається також, що ця темна матерія зіграла важливу роль у походженні галактик задовго до того, як первинний туман послабив свій вплив на фотони.

Склад темної матерії залишається однією з найбільших загадок космології. Вчені довго думали, що вже відомі нейтрино можуть становити цю темну матерію, але неймовірна кількість нейтрино з малою масою, які перетинають простір майже зі швидкістю світла, надто швидкі, щоби допомогти утримати матерію разом. Замість цього у 1982 році Піблс висунув припущення, що важкі та повільні частки холодної темної матерії могли б впоратися з цим завданням. Ми все ще шукаємо ці невідомі частки холодної темної матерії, які уникають взаємодії з уже відомою матерією і становлять 26% космосу.

Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, геометрія простору взаємопов'язана з гравітацією – чим більше маси і енергії міститься у всесвіті, тим більш викривленим стає простір. За критичного значенні маси та енергії всесвіт не викривлюється. Цей тип всесвіту, у якому дві паралельні лінії ніколи не перетнуться, зазвичай називають пласким. Два інших варіанти – це всесвіт із занадто малою кількістю матерії, яка веде до відкритого всесвіту, у ньому паралельні лінії зрештою розходяться, або закритий всесвіт з дуже великою кількістю матерії, в якоик паралельні лінії перетинаються.

Вимірювання космічного фонового випромінювання, а також теоретичні дослідження дали чітку відповідь – наш всесвіт є пласким. Однак матерії, міститься в ньому, достатньо лише для 31% від критичного значення. Їх них 5% – це звичайна матерія, а 26% – темна. Виходить, що не вистачає цілих 69%. Джеймс Піблс запропонував радикальний розв'язок і цієї задачі. У 1984 році він зробив внесок у відродження космологічної константи Ейнштейна, яка є енергією порожнього простору. Вона називається темною енергією і заповнює собою ті самі 69% космосу. Разом зі звичайною матерією і холодною темною матерією цього достатньо, щоб підтримати ідею плаского всесвіту.

Темна енергія залишалася теорією цілих 14 років, поки у 1998 році Сол Перлмуттер, Брайан Шмідт і Адам Рісс не відкрили прискорюване розширення Всесвіту (і у 2011 році отримали за це Нобелівську премію). Щось крім матерії має бути відповідальним за те, що всесвіт розширюється з прискоренням. Сучасна наука покладає відповідальність за це на непізнану поки темну енергію.

І темна матерія і темна енергія зараз є одними з найбільших загадок космології. Вони дають про себе знати тільки завдяки тому впливу, який чинять на своє оточення – одна тягне, інша штовхає. Однак про них все ще мало що відомо. Які таємниці приховує темна сторона всесвіту? Яка нова фізика ховається у невідомому? Що ще ми виявимо, намагаючись розгадати таємниці космосу?

Перша планета на орбіті іншого Сонця

Більшість космологів сьогодні згодні, що модель Великого вибуху – це справжня історія походження і розвитку космосу незважаючи на те, що лише 5% його матерії і енергії нами вивчені. Ця крихітна частинка в результаті сформувалася в усе, що ми бачимо навколо – зірки і планети, дерева і квіти, і в людей, звичайно, теж. Але чи одні ми вдивляємося у космос? Чи є життя десь ще – на інших планетах, що обертаються навколо своїх "Сонць"? Точно не знає ніхто. Але тепер ми повністю впевнені в тому, що наше Сонце – не єдина зірка, у якої є власні планети. Більше того, більшість із кількох мільярдів зірок галактики Чумацький шлях, напевно, також мають власний "супровід". На сьогодні астрономам відомо понад 4000 екзопланет. І перша з них була настільки дивовижною, що майже ніхто не вірив у її реальність – вона виявилася занадто великою і знаходиться дуже близько до своєї зірки.

Мішель Майор і Дідьє Кело оголосили про своє сенсаційне відкриття на астрономічній конференції в італійській Флоренції 6 жовтня 1995 року. Це була перша планета, яку вдалося виявити на орбіті зірки сонячного типу. Їй дали назву 51 Пегаса b. Вона швидко обертається навколо зірки 51 Пегаса, що знаходиться на відстані 50 світлових років від Землі. Повний оберт по орбіті планета робить всього за 4 земних дня, а це говорить про те, що вона обертається на невеликій відстані від зірки – близько 8 мільйонів кілометрів. 51 Пегаса розігріває свою супутницю до 1000° C і вище. На Землі, яка робить оберт навколо Сонця за рік та на відстані в 150 мільйонів кілометрів, як ми знаємо, значно прохолодніше.

Нещодавно виявлена планета також виявилася напрочуд великою – газоподібна куля виявилася співставною за розмірами з найбільшим газовим гігантом Сонячної системи Юпітером. Він, нагадаємо, у 1300 разів більший за Землю, а його маса перевищує 300 земних. Згідно з колишніми уявленнями про те, як формуються планетні системи, планети розміром з Юпітер повинні формуватися далеко від своїх зірок-господарок і, як наслідок, витрачати на один оберт по орбіті багато часу. Так тому ж Юпітеру, щоб обігнути Сонце, необхідно 12 земних років. Тому короткий орбітальний період 51 Пегаса b став повною несподіванкою для мисливців на екзопланети.

Майже відразу після цього відкриття, два американських астронома Пол Батлер і Джеффрі Марсі спрямували свій телескоп на зірку 51 Пегаса і незабаром підтвердили революційне відкриття Майора і Кело. А ще за кілька місяців вони відкрили дві нові екзопланети, що обертаються навколо солнцеподібних зірок. Їхні короткі орбітальні періоди були зручні для астрономів, котрим не потрібно було чекати місяці або роки, щоб побачити екзопланету, що обертається навколо її сонця. Тепер у них був час поспостерігати за тим, як планети роблять одне коло за іншим.

Як ці планети опинилися так близько до зірки? Це питання поставило під сумнів існуючу теорію походження планет і призвів до появи нових гіпотез, які описували, як великі кулі газу утворювалися на краях їхніх сонячних систем, а потім по спіралі, що звужуються, наближалися до зірки.

Twitter Нобелівського комітету

Більш точні методи приводять до відкриття

Для відстеження екзопланет необхідні складні методи, оскільки планети не світяться самі по собі, а просто відбивають світло своєї зірки, причому роблять це настільки слабо, що залишаються непомітними на тлі її блиску. Метод, який використовують дослідницькі групами для пошуку планет, називається методом променевої швидкості. По суті, це вимір руху зірки-господаря, оскільки на неї також впливає сила тяжіння планети-супутниці. Коли планета обертається навколо своєї зірки, зірка теж трохи зсувається – вони обидві зміщуються навколо спільного центру тяжіння. Від точки спостереження на Землі зірка розгойдується взад і вперед по лінії прямої видимості.

Швидкість цього руху, променева швидкість зірки, може бути виміряна за допомогою добре відомого ефекту Доплера: промені світла, які виходять від об'єкта, що рухається до нас, більше світяться синім, а від нас – червоним. Цей же ефект відповідає за зміну тону сирени швидкої допомоги, яка мчить повз. Чим ближче швидка, тим вище звучить її сигнал, а по мірі віддалення він знижується.

Таким чином, вплив планети по черзі змінює колір світла зірки на більш синій або більш червоний; саме ці зміни у довжині хвилі світла астрономи захоплюють з допомогою своїх інструментів. Ці коливання точно фіксуються шляхом вимірювання довжини хвилі світла зірки.

Найбільша проблема полягає в тому, що променеві швидкості надзвичайно малі. Наприклад, гравітація Юпітера змушує Сонце рухатися зі швидкістю близько 12 м/с навколо центру ваги Сонячної системи. А Земля і поготів дає всього 0,09 м/с. Тому для виявлення екзопланет необхідно надзвичайно чутливе обладнання. Щоб підвищити точність, астрономи вимірюють кілька тисяч довжин хвиль одночасно. А світло ділять на різні довжини хвиль за допомогою спектрографа – ключового для таких досліджень приладу.

На початку 1990-х рр., коли Дідьє Кело тільки почав дослідницьку кар'єру в Університеті Женеви (Швейцарія), Мішель Майор вже провів багато років за спостереженням руху зірок і конструюванням з колегами власних вимірювальних приладів. У 1977 році Майор встановив свій перший спектрограф на телескопі в обсерваторії Верхнього Провансу, у сотні кілометрів на північний схід від французького Марселя. Це дозволило знизити нижню межу швидкості до 300 м/с, але цього все ще не вистачало, щоб розгледіти, як планета розгойдує зірку.  

Докторантові Дідьє Кело запропонували разом із рештою дослідницької групи попрацювати над більш точними методами вимірювань. Вчені застосували новітні технології, щоб швидко оглянути безліч зірок і проаналізувати отримані результати. З допомогою оптичних волокон зоряне світло передавали без спотворення на спектрограф, а поліпшені цифрові датчики зображення ПЗЗ-сенсори підвищували світлочутливість машин. До речі, за винахід цих сенсорів у 2009 році Чарльз Као, Віллард Бойл і Джордж Сміт теж удостоїлися Нобелівської премії. Більш потужні комп'ютери дозволили вченим розробити спеціальне програмне забезпечення для цифрової обробки зображень і даних.

Коли новий спектрограф було закінчено навесні 1994 року, необхідна швидкість різко знизилася до 10-15 м/с і це наблизило відкриття першої екзопланети. У той час пошук екзопланет не вважався одним з основних завдань астрономії, але Майор і Кело вирішили все ж оголосити про своє відкриття. Їм знадобилося кілька місяців, щоб доопрацювати результати і у жовтні 1995 року світ вперше почув про першу в історії науки достовірно зафіксовану екзопланету.

Відкриття безлічі світів

Перше відкриття екзопланети, яка обертається навколо сонцеподібної зірки, поклало початок революції в астрономії. Були відкриті тисячі нових світів. Нові планетні системи тепер виявляються не тільки за допомогою телескопів на Землі, але і з супутників. Американський космічний телескоп TESS наразі сканує понад 200 000 найближчих до нас зірок, вистежуючи планети, схожі на Землю. А космічний телескоп Kepler зумів "розгледіти" понад 2300 екзопланет.

Зараз поряд з вимірами коливання променевої швидкості, для цього застосовують також транзитну фотометрію. Коли планета проходить через лінію прямої видимості перед зіркою, це знижує інтенсивність світіння зірки. Транзитна фотометрія фіксує цю зміну. А ще вона дозволяє астрономам спостерігати атмосферу екзопланети, коли світло від зірки проходить крізь неї на шляху до Землі. До речі, комбінування обох методів теж допомагає вченим збирати більш точні дані. Транзитна фотометрія допомагає визначити розмір екзопланети, а її масу вдається розрахувати за допомогою методу променевих швидкостей. Ці дані дають можливість дізнатися густину екзопланети і, відповідно, визначити її структуру.

Відкриті на сьогодні екзопланети вражають різноманітністю форм, розмірів і орбіт. Вони кинули виклик нашим упередженим уявленням про планетні системи та змусили дослідників переглянути свої теорії про фізичні процеси, відповідальні за народження планет. А запуск безлічі проектів з пошуку екзопланет може нарешті дати відповідь на питання, чи існує у всесвіті інше життя.

Нобелівські лауреати цього року змінили наші уявлення про космос. У той час як теоретичні відкриття Джеймса Піблса сприяли більш глибокому розумінню того, як розвивалася всесвіт після Великого вибуху, Мішель Майор і Дідьє Кело досліджували навколишній космос у пошуках невідомих планет. Їхні відкриття перевернули сучасну астрофізику і дали серйозний поштовх для її розвитку на багато років вперед.

відео по темі

Новини за темою

Новини за темою

Новини партнерів

Loading...

Віджет партнерів

d="M296.296,512H200.36V256h-64v-88.225l64-0.029l-0.104-51.976C200.256,43.794,219.773,0,304.556,0h70.588v88.242h-44.115 c-33.016,0-34.604,12.328-34.604,35.342l-0.131,44.162h79.346l-9.354,88.225L296.36,256L296.296,512z"/>