Mørkt stof og eksoplanetfund vinder Nobels fysikpris

Den canadisk-amerikanske kosmolog James Peebles og de schweiziske astronomer Michel Mayor og Didier Queloz vandt tirsdag Nobels fysikpris for forskning, der øger forståelsen af ​​vores plads i universet.

Peebles vandt halvdelen af ​​prisen "for teoretiske opdagelser, der har bidraget til vores forståelse af, hvordan universet udviklede sig efter Big Bang, "professor Goran Hansson, generalsekretær for Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi, fortalte på et pressemøde.

Borgmester og Queloz delte den anden halvdel til den første opdagelse, i oktober 1995, af en planet uden for vores solsystem-en eksoplanet-der kredser om en sollignende stjerne i Mælkevejen.

"Deres opdagelser har for altid ændret vores opfattelse af verden, "sagde juryen.

Udviklet over to årtier siden midten af ​​1960'erne, Peebles 'teoretiske ramme er "grundlaget for vores samtidige ideer om universet".

Peebles byggede på Albert Einsteins arbejde om universets oprindelse ved at se tilbage på årtusinderne umiddelbart efter Big Bang, da lysstråler begyndte at skyde udad i rummet.

Ved hjælp af teoretiske værktøjer og beregninger, han drog en forbindelse mellem temperaturen af ​​strålingen, der blev udsendt efter Big Bang, og mængden af ​​stof, den skabte.

'Ukendt sag'

Hans arbejde viste, at den sag, vi kender - såsom stjerner, planeter, og os selv - udgør kun fem procent af universet, mens de øvrige 95 procent består af "ukendt mørkt stof og mørk energi".

I et telefoninterview, Peebles sagde, at hvad disse elementer faktisk er, stadig er et åbent spørgsmål.

"Selvom teorien er meget grundigt testet, vi må stadig indrømme, at det mørke stof og den mørke energi er mystiske, "Sagde Peebles.

Taler ved Princeton University senere, han tilføjede, at hans ideer ikke var det "endelige svar".

"Vi kan være meget sikre på, at når vi opdager nye aspekter af det voksende og udviklende univers, vi vil blive forskrækket og forbløffet endnu engang, " han sagde.

Peebles, 84, er Albert Einstein professor i videnskab ved Princeton University i USA, mens borgmester 77, og Queloz, 53, er professorer ved universitetet i Genève. Queloz arbejder også på University of Cambridge i Storbritannien.

Ved hjælp af specialfremstillede instrumenter på deres observatorium i det sydlige Frankrig i oktober 1995, Borgmester og Queloz var i stand til at opdage en gasformig kugle, der lignede Jupiter, kredser om en stjerne 50 lysår fra vores egen sol.

Udnyttelse af et fænomen kendt som Doppler -effekten, som ændrer lysets farve afhængigt af om et objekt nærmer sig eller trækker sig tilbage fra Jorden, parret beviste planeten, kendt som 51 Pegasus b, kredsede om sin stjerne.

'Tip af isbjerget'

"Mærkelige nye verdener bliver stadig opdaget, "noterede Nobeljuryen, udfordrer vores forudfattede ideer om planetsystemer og "tvinger forskere til at revidere deres teorier om de fysiske processer bag planetenes oprindelse".

Borgmester var professor ved universitetet i Genève, og Queloz var hans doktorand, da de fandt deres opdagelse, der "startede en revolution inden for astronomi, "og siden da over 4, Der er fundet 000 eksoplaneter i vores hjemmegalakse.

"Det, vi opdagede for 25 år siden, var bare toppen af ​​isbjerget, "Sagde Queloz til AFP.

Nyheden om prisen var et chok for Queloz, selvom andre havde spekuleret i, at deres opdagelse var æren værd.

"Da vi fandt opdagelsen, meget tidligt fortalte mange mennesker mig, at det vil være en opdagelse i Nobelprisen. I 25 år blev folk ved med at sige dette, og på et tidspunkt sagde jeg bare, at det slet ikke kommer til at vinde en Nobelpris, " han sagde.

Præmien består af en guldmedalje, et eksamensbevis og summen af ​​ni millioner svenske kroner (ca. $ 914, 000 eller 833, 000 euro).

Trioen modtager prisen fra kong Carl XVI Gustaf ved en formel ceremoni i Stockholm den 10. december, årsdagen for forskeren Alfred Nobels død i 1896, der skabte priserne i sit sidste testamente.

I 2018, æren gik til Arthur Ashkin i USA, Gerard Mourou fra Frankrig og Donna Strickland i USA til laseropfindelser, der bruges til avancerede præcisionsinstrumenter i korrigerende øjenoperationer og i industrien.

Årets Nobelsæson startede mandag med medicinprisen uddelt til amerikanerne William Kaelin og Gregg Semenza, og Storbritanniens Peter Ratcliffe.

De blev hædret for forskning i, hvordan menneskelige celler fornemmer og tilpasser sig ændrede iltniveauer, som åbner op for nye strategier til bekæmpelse af sygdomme som kræft og anæmi.

Vinderne af årets kemipris offentliggøres onsdag.

Litteraturprisen følger torsdag d. med to pristagere, der skulle krones efter en skandale om seksuel chikane tvang det svenske akademi til at udsætte 2018 -prisen, for første gang i 70 år.

Fredag ​​flytter handlingen til Norge, hvor fredsprisen uddeles, med bookmakere, der støtter den svenske teenageklimaaktivist Greta Thunberg.

Økonomiprisen afslutter mandag Nobelsæsonen, 14. oktober.

---

Pressemeddelelse:Nobelprisen i fysik 2019

Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi har besluttet at tildele Nobelprisen i fysik 2019

"for bidrag til vores forståelse af universets udvikling og Jordens sted i kosmos"

med den ene halvdel til

James Peebles
Princeton University, USA

"for teoretiske opdagelser i fysisk kosmologi"

og den anden halvdel i fællesskab til

Michel borgmester
Universitetet i Genève, Schweiz

og

Didier Queloz
Universitetet i Genève, Schweiz
University of Cambridge, Storbritannien

"til opdagelsen af ​​en eksoplanet, der kredser om en stjerne af soltype"

Nye perspektiver på vores plads i universet

Dette års nobelpris i fysik belønner ny forståelse af universets struktur og historie, og den første opdagelse af en planet, der kredser om en stjerne af soltypen uden for vores solsystem.

James Peebles indsigt i fysisk kosmologi har beriget hele forskningsfeltet og lagt et fundament for transformationen af ​​kosmologi i løbet af de sidste halvtreds år, fra spekulation til videnskab. Hans teoretiske ramme, udviklet siden midten af ​​1960'erne, er grundlaget for vores samtidige ideer om universet.

Big Bang -modellen beskriver universet fra dets allerførste øjeblikke, for næsten 14 milliarder år siden, da det var ekstremt varmt og tæt. Siden da, universet har ekspanderet, bliver større og koldere. Knap 400, 000 år efter Big Bang, universet blev gennemsigtigt, og lysstråler kunne rejse gennem rummet. Selv i dag, denne gamle stråling er rundt omkring os, og kodet ind i det, mange af universets hemmeligheder gemmer sig. Ved hjælp af hans teoretiske værktøjer og beregninger, James Peebles var i stand til at fortolke disse spor fra universets barndom og opdage nye fysiske processer.

Resultaterne viste os et univers, hvor kun fem procent af dets indhold er kendt, sagen, der udgør stjerner, planeter, træer - og os. Resten, 95 pct., er ukendt mørkt stof og mørk energi. Dette er et mysterium og en udfordring for moderne fysik.

I oktober 1995, Michel Mayor og Didier Queloz annoncerede den første opdagelse af en planet uden for vores solsystem, en eksoplanet, kredser om en stjerne af soltypen i vores hjemmegalakse, Mælkevejen. Ved Haute-Provence-observatoriet i det sydlige Frankrig, ved hjælp af specialfremstillede instrumenter, de var i stand til at se planeten 51 Pegasi b, en gasformet kugle, der kan sammenlignes med solsystemets største gasgigant, Jupiter.

Denne opdagelse startede en revolution inden for astronomi og over 4, Der er siden fundet 000 eksoplaneter i Mælkevejen. Mærkelige nye verdener bliver stadig opdaget, med en utrolig rigdom af størrelser, former og baner. De udfordrer vores forudfattede ideer om planetsystemer og tvinger forskere til at revidere deres teorier om de fysiske processer bag planetenes oprindelse. Med mange projekter planlagt til at begynde at søge efter exoplaneter, vi kan til sidst finde et svar på det evige spørgsmål om, hvorvidt andet liv er derude.

Årets pristagere har ændret vores ideer om kosmos. Mens James Peebles 'teoretiske opdagelser bidrog til vores forståelse af, hvordan universet udviklede sig efter Big Bang, Michel Mayor og Didier Queloz udforskede vores kosmiske kvarterer på jagt efter ukendte planeter. Deres opdagelser har for altid ændret vores forestillinger om verden.

---

Populærvidenskabelig baggrund

Nye perspektiver på vores plads i universet

Nobelprisen i fysik 2019 belønner ny forståelse af universets struktur og historie, og den første opdagelse af en planet, der kredser om en stjerne af soltypen uden for vores solsystem. Årets pristagere har bidraget til at besvare grundlæggende spørgsmål om vores eksistens. Hvad skete der i universets tidlige barndom, og hvad skete dernæst? Kunne der være andre planeter derude, kredser andre soler?

James Peebles indtog kosmos, med sine milliarder af galakser og galaksehobe. Hans teoretiske ramme, som han udviklede over to årtier, begyndte i midten af ​​1960'erne, er grundlaget for vores moderne forståelse af universets historie, fra Big Bang til i dag. Peebles 'opdagelser har ført til indsigt i vores kosmiske omgivelser, hvor kendt stof kun udgør fem procent af alt stof og energi i universet. De resterende 95 procent er skjult for os. Dette er et mysterium og en udfordring for moderne fysik.

Michel Mayor og Didier Queloz har udforsket vores hjemmegalakse, Mælkevejen, leder efter ukendte verdener. I 1995, de gjorde den allerførste opdagelse af en planet uden for vores solsystem, en eksoplanet, kredser om en stjerne af soltypen. Deres opdagelse udfordrede vores ideer om disse mærkelige verdener og førte til en revolution inden for astronomi. De mere end 4, 000 kendte exoplaneter er overraskende i deres rigdom af former, da de fleste af disse planetariske systemer ikke ligner vores egne, med Solen og dens planeter. Disse opdagelser har fået forskere til at udvikle nye teorier om de fysiske processer, der er ansvarlige for planeternes fødsel.

Big Bang kosmologi begynder

De sidste fem årtier har været en guldalder for kosmologi, studiet af universets oprindelse og udvikling. I 1960'erne, der blev lagt et fundament, der ville flytte kosmologi fra spekulation til videnskab. Nøglepersonen i denne overgang var James Peebles, hvis afgørende opdagelser satte kosmologi fast på det videnskabelige kort, beriger hele forskningsområdet. Hans første bog, Fysisk kosmologi (1971), inspireret en helt ny generation af fysikere til at bidrage til fagets udvikling, ikke kun gennem teoretiske overvejelser, men med observationer og målinger. Videnskab og intet andet ville besvare de evige spørgsmål om, hvor vi kommer fra, og hvor vi skal hen; kosmologi blev frigjort fra menneskelige begreber som tro og mening. Dette gentager Albert Einsteins ord fra begyndelsen af ​​sidste århundrede, om, hvordan verdens mysterium er dens forståelighed.

Historien om universet, en videnskabelig fortælling om kosmos udvikling, har kun været kendt i de sidste hundrede år. Inden dette, universet var blevet betragtet som stationært og evigt, men i 1920'erne opdagede astronomer, at alle galakser bevæger sig væk fra hinanden og fra os. Universet vokser. Vi ved nu, at nutidens univers er anderledes end i går, og at det vil være anderledes i morgen.

Hvad astronomerne så i himlen var allerede blevet forudsagt af Albert Einsteins generelle relativitetsteori fra 1916, den, der nu er grundlaget for alle store beregninger om universet. Da Einstein opdagede, at teorien førte til den konklusion, at rummet udvider sig, han tilføjede en konstant til sine ligninger (den kosmologiske konstant), der ville modvirke tyngdekraftens virkninger og få universet til at stå stille. Over et årti senere, når universets ekspansion var blevet observeret, denne konstante var ikke længere nødvendig. Einstein betragtede dette som hans livs største tabbe. Lidt vidste han, at den kosmologiske konstant ville gøre en storslået tilbagevenden til kosmologi i 1980'erne, ikke mindst gennem bidragene fra James Peebles.

De første stråler i universet afslører alt

Universets ekspansion betyder, at det engang var meget tættere og varmere. I midten af ​​det 20. århundrede, dens fødsel fik navnet Big Bang. Ingen ved, hvad der egentlig skete i begyndelsen, men det tidlige univers var fuld af en kompakt, varm og uigennemsigtig partikelsuppe, hvor lette partikler, fotoner, bare hoppede rundt.

Det tog næsten 400, 000 år til ekspansion for at afkøle denne ursuppe til et par tusinde grader Celsius. De originale partikler var i stand til at kombinere, dannelse af en gennemsigtig gas, der primært bestod af hydrogen- og heliumatomer. Fotoner begyndte nu at bevæge sig frit, og lys kunne rejse gennem rummet. Disse første stråler fylder stadig kosmos. Udvidelsen af ​​rummet strakte de synlige lysbølger, så de endte i området med usynlige mikrobølger, med en bølgelængde på et par millimeter.

Gløden fra universets fødsel blev først tilfældigt fanget, i 1964, af to amerikanske radioastronomer:Nobelpristagerne 1978 Arno Penzias og Robert Wilson. De kunne ikke slippe af med den konstante "støj", som deres antenne tog op overalt i rummet, så de ledte efter en forklaring i andre forskeres arbejde, herunder James Peebles, der havde foretaget teoretiske beregninger af denne allestedsnærværende baggrundsstråling. Efter næsten 14 milliarder år, dens temperatur er faldet tæt på absolut nul (–273 ° C). Det største gennembrud kom, da Peebles indså, at strålingens temperatur kunne give oplysninger om, hvor meget stof der blev skabt i Big Bang, og forstod, at frigivelsen af ​​dette lys spillede en afgørende rolle for, hvordan stof senere kunne klumpe sig sammen for at danne de galakser og galaksehobe, som vi nu ser i rummet.

Opdagelsen af ​​mikrobølgestråling indledte den nye æra i moderne kosmologi. Den gamle stråling fra universets barndom er blevet en guldgrube, der indeholder svarene på næsten alt, hvad kosmologer vil vide. Hvor gammelt er universet? Hvad er dens skæbne? How much matter and energy exist?

Scientists can find traces of the very first moments of the universe in this cold afterglow, tiny variations propagating as soundwaves through that early primordial soup. Without these small variations, the cosmos would have cooled from a hot ball of fire to a cold and uniform emptiness. We know that this did not happen, that space is full of galaxies, often gathered in galaxy clusters. The background radiation is smooth in the same way that the ocean's surface is smooth; the waves are visible close up, ripples that reveal the variations in the early universe.

Time after time, James Peebles has led the interpretation of these fossil traces from the earliest epochs of the universe. With astounding accuracy, cosmologists were able to predict variations in the background radiation and show how they affect the matter and energy in the universe.

The first major observational breakthrough came in April 1992, when principal investigators at the American COBE satellite project presented an image of the first rays of light in the universe (Nobel Prize in Physics 2006 to John Mather and George Smoot). Other satellites, the American WMAP and European Planck, gradually refined this portrait of the young universe. Exactly as predicted, the background radiation's otherwise even temperature varied by one hundred-thousandth of a degree. With increasing precision, the theoretical calculations of the matter and energy contained in the universe were confirmed, with the majority of it, 95 per cent, invisible to us.

Dark matter and dark energy – cosmology's greatest mysteries

Since the 1930s, we have known that all we can see is not all there is. Measurements of galaxies' rotational speeds indicated that they must be held together by gravity from invisible matter, otherwise they would be torn apart. It was also thought that this dark matter played an important role in the origin of galaxies, long before the primordial soup relaxed its hold on the photons.

The composition of dark matter remains one of cosmology's greatest mysteries. Scientists long believed that already-known neutrinos could constitute this dark matter, but the unimaginable numbers of low-mass neutrinos that cross space at almost the speed of light are far too fast to help hold matter together. I stedet, in 1982, Peebles proposed that heavy and slow particles of cold dark matter could do the job. We are still searching for these unknown particles of cold dark matter, which avoid interacting with already known matter and comprise 26 per cent of the cosmos.

According to Einstein's general theory of relativity, the geometry of space is interconnected with gravity – the more mass and energy the universe contains, the more curved space becomes. At a critical value of mass and energy, the universe does not curve. This type of universe, in which two parallel lines will never cross, is usually called flat. Two other options are a universe with too little matter, which leads to an open universe in which parallel lines eventually diverge, or a closed universe with too much matter, in which parallel lines will ultimately cross.

Measurements of cosmic background radiation, as well as theoretical considerations, provided a clear answer – the universe is flat. Imidlertid, the matter it contains is only enough for 31 per cent of the critical value, of which 5 per cent is ordinary matter and 26 per cent is dark matter. Most of it, 69 per cent, was missing. James Peebles once again provided a radical solution. In 1984, he contributed to reviving Einstein's cosmological constant, which is the energy of empty space. This has been named dark energy and fills 69 per cent of the cosmos. Along with cold dark matter and ordinary matter, it is enough to support the idea of a flat universe.

Dark energy remained just a theory for 14 years, until the universe's accelerating expansion was discovered in 1998 (Nobel Prize in Physics 2011 to Saul Perlmutter, Brian Schmidt and Adam Riess). Something other than matter must be responsible for the increasingly rapid expansion – an unknown dark energy is pushing it. Suddenly, this theoretical addendum became a reality that could be observed in the heavens.

Both dark matter and dark energy are now among the greatest mysteries in cosmology. They only make themselves known through the impact they have on their surroundings – one pulls, the other pushes. Ellers, not much is known about them. What secrets are concealed in this dark side of the universe? What new physics is hidden behind the unknown? What else will we discover in our attempts to solve the mysteries of space?

The first planet orbiting another sun

Most cosmologists now agree that the Big Bang model is a true story about the origin and development of the cosmos, despite only five per cent of its matter and energy now being known. This tiny slice of matter eventually clumped together to make everything we see around us – stars, planeter, trees and flowers, and humans too. Are we alone in gazing out on the cosmos? Is there life anywhere else in space, on a planet orbiting another sun? No one knows. But we now know that our Sun is not alone in having planets, and that most of the several hundred billion stars in the Milky Way should also have accompanying planets. Astronomers now know of more than 4, 000 exoplanets. Strange new worlds have been discovered, nothing like our own planetary system. The first was so peculiar that almost no one believed it was true; the planet was too big to be so close to its host star.

Michel Mayor and Didier Queloz announced their sensational discovery at an astronomy conference in Florence, Italy, on 6 October 1995. It was the first planet proven to be orbiting a solar-type star. The planet, 51 Pegasi b, moves rapidly around its star, 51 Pegasi, which is 50 light years from the Earth. It takes four days to complete its orbit, which means that its path is close to the star – only eight million kilometres from it. The star heats the planet to more than 1, 000°C. Things are considerably calmer on Earth, which has a year-long orbit around the Sun at a distance of 150 million kilometres.

The newly discovered planet also turned out to be surprisingly large – a gaseous ball that is comparable to the solar system's biggest gas giant, Jupiter. Compared to the Earth, Jupiter's volume is 1, 300 times greater and it weighs 300 times as much. According to previous ideas about how planetary systems are formed, Jupiter-sized planets should have been created far from their host stars, and consequently take a long time to orbit them. Jupiter takes almost 12 years to complete one circuit of the Sun, so 51 Pegasi b's short orbital period was a complete surprise to exoplanet hunters. They had been looking in the wrong place.

Almost immediately after this revelation, two American astronomers, Paul Butler and Geoffrey Marcy, turned their telescope towards the star 51 Pegasi and were soon able to confirm Mayor and Queloz's revolutionary discovery. Just a few months later they found two new exoplanets orbiting solar-type stars. Their short orbital periods were handy for astronomers who did not need to wait months or years to see an exoplanet orbit its sun. Now they had time to watch the planets take one lap after another.

How had they got so close to the star? The question challenged the existing theory of planetary origins and led to new theories that described how large balls of gas were created at the edges of their solar systems, then spiralled inward towards the host star.

Refined methods led to the discovery

Sophisticated methods are necessary to track an exoplanet – planets do not glow by themselves, they simply reflect the starlight so weakly that their glow is smothered by the bright light of the host star. The method used by research groups to find a planet is called the radial velocity method; it measures the movement of the host star as it is affected by the gravity of its planet. As the planet orbits around its star, the star also moves slightly – they both move around their common centre of gravity. From the observation point on Earth, the star wobbles backwards and forwards in the line of sight.

The speed of this movement, the radial velocity, can be measured using the well-known Doppler effect – light rays from an object moving towards us are bluer and, if the object is moving away from us, the rays are redder. This is the same effect we hear when the sound of an ambulance increases in pitch as it moves towards us and decreases in pitch when the ambulance has passed.

The effect of the planet thus alternately changes the colour of the star's light towards blue or red; it is these alterations in the wavelength of the light that astronomers capture with their instruments. The changes in colour can be precisely determined by measuring the star's light wavelengths, providing a direct measure of its velocity in the line of sight.

The biggest challenge is that the radial velocities are extremely low. For eksempel, Jupiter's gravity makes the Sun move at about 12 m/s around the solar system's centre of gravity. The Earth contributes just 0.09 m/s, which places extraordinary demands on the equipment's sensitivity if Earth-like planets are to be discovered. To increase precision, astronomers measure several thousand wavelengths simultaneously. The light is divided into the various wavelengths using a spectrograph, which is at the heart of these measurements.

In the early 1990s, when Didier Queloz started his research career at the University of Geneva, Michel Mayor had already spent many years studying the movement of the stars, constructing his own measuring instruments with the help of other researchers. In 1977, Mayor was able to mount his very first spectrograph on a telescope at the Haute-Provence Observatory, 100 km northeast of Marseille. This allowed a lower limit of velocities around 300 m/s, but this was still too high to see a planet pulling on its star.

Along with the research group, doctoral student Didier Queloz was asked to develop new methods for more precise measurements. They utilised numerous new technologies that made it possible to look rapidly at many stars and analyse the results on site. Optical fibres could carry the starlight to the spectrograph without distorting it and better digital image sensors, CCDs, increased the machine's light sensitivity (Nobel Prize in Physics 2009 to Charles Kao, Willard Boyle and George Smith). More powerful computers allowed scientists to develop custom-made software for digital image and data processing.

When the new spectrograph was finished in the spring of 1994, the necessary velocity sank to 10–15 m/s and the first discovery of an exoplanet was fast approaching. På det tidspunkt, the search for exoplanets was not part of mainstream astronomy, but Mayor and Queloz had decided to announce their discovery. They spent several months refining their results and, in October 1995, they were ready to present their very first planet to the world.

A multitude of worlds is revealed

The first discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star started a revolution in astronomy. Thousands of unknown new worlds have been revealed. New planetary systems are now not only being discovered by telescopes on Earth, but also from satellites. TESS, an American space telescope, is currently scanning more than 200, 000 of the stars closest to us, hunting for Earth-like planets. Tidligere har the Kepler Space Telescope had brought rich rewards, finding more than 2, 300 exoplanets.

Along with variations in radial velocity, transit photometry is now used when searching for exoplanets. This method measures changes in the intensity of the star's light when a planet passes in front of it, if this happens in our line of sight. Transit photometry also allows astronomers to observe the exoplanet's atmosphere as light from the star passes it on the way towards Earth. Sometimes both methods can be used; transit photometry provides the size of the exoplanet, while its mass can be determined using the radial velocity method. It is then possible to calculate the exoplanet's density and thus determine its structure.

The exoplanets so far discovered have surprised us with an astounding variety of forms, sizes and orbits. They have challenged our preconceived ideas about planetary systems and forced researchers to revise their theories about the physical processes responsible for the birth of planets. With numerous projects planned to start searching for exoplanets, we may eventually find an answer to the eternal question of whether other life is out there.

This year's Laureates have transformed our ideas about the cosmos. While James Peebles' theoretical discoveries contributed to our understanding of how the universe evolved after the Big Bang, Michel Mayor and Didier Queloz explored our cosmic neighbourhoods on the hunt for unknown planets. Their discoveries have forever changed our conceptions of the world.

© 2019 AFP