Drie wetenschappers winnen omdat ze de kosmische samenstelling hebben onthuld en een planeet hebben gevonden die om een zonachtige ster draait
Er zijn twee sets kosmische ontdekkingen vergaard de Nobelprijs voor natuurkunde 2019.
De helft van de prijs van 9 miljoen Zweedse kronen (ongeveer $ 900.000) gaat naar James Peebles van Princeton University, die nieuwe theoretische instrumenten ontdekte om het universum te bestuderen. Zijn onderzoek omvat studies van de kosmische microgolfachtergrond, of CMB, licht dat vroeg in de geschiedenis van het universum wordt uitgezonden. Het werk heeft uiteindelijk geholpen om de mysterieuze componenten van de kosmos te onthullen – donkere materie en donkere energie.
De tweede helft van de prijs wordt uitgereikt aan Michel Mayor van de Universiteit van Genève en Didier Queloz van de Universiteit van Genève en de Universiteit van Cambridge, voor de eerste ontdekking van een exoplaneet die in een baan rond een zonnetype ster draait (SN: 25-11-1995). Die bevinding heeft het begrip van wetenschappers over onze kosmische buurt veranderd.
Beide ontdekkingen onthullen fundamentele componenten van het universum die onzichtbaar zijn voor menselijke ogen. Het werk van Peebles hielp vaststellen dat slechts 5 procent van de inhoud van het universum de gewone materie is waaruit planeten en mensen bestaan (SN: 24-7-18). De rest is zowel donkere materie (ongeveer 27 procent), die nauwelijks door materie raakt, behalve door zwaartekracht, als donkere energie (ongeveer 68 procent), die het universum dwingt om steeds sneller uit te breiden.
De ontdekking van de CMB won in 1978 een Nobelprijs (SN: 21/10/78), en de ontdekking van donkere energie won een Nobelprijs in 2011 (SN: 10/4/11).
Nobel-commissielid en natuurkundige Ulf Danielsson beschreef een kopje koffie als metafoor voor het vroege universum en beschreef gewone materie als het stukje suiker dat in de wervelende vloeistof werd gesprenkeld en donkere materie en donkere energie vertegenwoordigde. Dat kleine scheutje materie ‘is waar de wetenschap al duizenden jaren over gaat – tot nu toe’, zei hij.
Door het werk van Peebles ‘evolueerde de kosmologie tot een wetenschap van precisie’, zei Danielsson.
Natuurkundigen prezen Peebles na de aankondiging van de prijs. “Jim is een van de vaders van de fysische kosmologie die de basis heeft gelegd voor de nu opmerkelijk succesvolle standaardtheorie van de structuur en geschiedenis van het universum”, zei natuurkundige David Gross, president van de American Physical Society, in een e-mail.
Die standaardtheorie van het universum staat bekend als lambda-CDM. Peebles ‘heeft zijn vingerafdrukken overal’, zegt kosmoloog Michael Turner van de University of Chicago. ‘Hij is de afgelopen 50 jaar betrokken geweest bij elke belangrijke ontwikkeling in de kosmologie.’
Kosmoloog Jo Dunkley, een collega van Peebles ‘in Princeton, vat de reactie van kosmologen aan de universiteit samen:’ Ja, natuurlijk kreeg hij de Nobelprijs. Hij heeft dit veld gemaakt. ‘
Tijdens een persconferentie die later op de dag in Princeton werd gehouden, leek Peebles overweldigd door de erkenning van zijn collega’s. ‘Nu weet ik hoe rocksterren zich voelen’, grapte hij. Hij merkte op dat er nog veel vragen over zijn in de kosmologie, zoals de identiteit van donkere materie en donkere energie. “We kunnen er zeker van zijn dat als we nieuwe aspecten van het zich uitbreidende en evoluerende universum ontdekken, we opnieuw zullen schrikken en versteld staan.”
Na de oerknal 13,8 miljard jaar geleden was het ontluikende universum een bijna uniforme slurrie, met slechts kleine variaties in de dichtheid van materie. Het werk van Peebles legt uit hoe het universum over aionen veranderde in een kosmos gevuld met complexe structuren zoals sterrenstelsels, als gevolg van de heersende aantrekkingskracht van de zwaartekracht. ‘Hij was een van de sleutelfiguren die het hele raamwerk van structuurvorming heeft ontwikkeld’, zegt Priyamvada Natarajan van Yale University. Peebles liet zien dat “donkere materie op de bestuurdersstoel zat”. De invloed van de nog onopgemerkte deeltjes donkere materie was essentieel voor het vormen van de structuren van de kosmos die we vandaag waarnemen.
Structuren in het universum gevormd langs een breed scala van grootteschalen, resulterend in niet alleen enorme objecten zoals sterrenhoopclusters, maar ook kleinere bewoners erin, zoals sterren en hun planeten – inclusief de exoplaneet ontdekt door burgemeester en Queloz. Volgens Natarajan is het eren van deze beide ontdekkingen ‘een viering van het menselijk begrip van de grootste en de kleinste schaal. Beiden zijn grenzen. ‘
Net als donkere materie en donkere energie was de ontdekking van burgemeester en Queloz – de eerste exoplaneet rond een zonachtige ster – ook niet direct zichtbaar. In 1995 vonden burgemeester en Queloz een Jupiter-massa-planeet in een baan rond de ster Pegasi door te kijken hoe de planeet aan de ster trok. De zwaartekracht van de planeet zorgde ervoor dat de ster een beetje heen en weer wiebelde, waardoor het sterlicht veranderde van iets blauwer naar iets roder terwijl de ster naar en van de aarde bewoog.
Die eerste planeet, 51 Pegasi b, was anders dan alles wat in ons zonnestelsel bestaat. Het ligt dichter bij zijn ster dan Mercurius bij de zon. Wetenschappers dachten dat het onmogelijk was voor gigantische planeten om zo dicht bij hun sterren te komen, totdat ze er een vonden.
Astronomen denken nu dat gigantische planeten zich waarschijnlijk ver van hun sterren vormen en naar binnen migreren om hete Jupiters te worden. Het idee dat planeten door hun banen kunnen bewegen, is sindsdien gebruikt om enkele mysteries van ons eigen zonnestelsel te verklaren (SN: 25-5-05).
“Dit [migration] was een belangrijk ingrediënt van het scenario van planetaire vorming, en vandaag moeten alle scenario’s dit soort verschijnselen bevatten, ‘zei burgemeester in een interview online geplaatst 8 oktober door nobelprize.org.
Toen Queloz vernam dat hun ontdekking had gewonnen, stopte hij met ademen verteld nobelprize.org. ‘Ik ben nog steeds helemaal verbijsterd door het nieuws.’
Sinds de ontdekking van 51 Pegasi b zijn er meer dan 4.000 exoplaneten gevonden in een baan om verre sterren. Astronomen kunnen nu individuele planetaire systemen en planeetpopulaties als geheel bestuderen om te begrijpen hoe buitenaardse werelden zich vormen en evolueren. Wetenschappers plannen ook hoe ze kunnen zoeken naar tekenen van leven in de atmosfeer van exoplaneten (SN: 10/4/19).
‘Er is een reden voor [51 Pegasi b] werd het eerst gevonden – het is het gemakkelijkste type planeet om te vinden ”, zegt exoplaneetwetenschapper David Charbonneau van de Harvard University. Grote, dicht bij elkaar draaiende planeten hebben de grootste invloed op hun sterren.
Sinds 51 Pegasi b “bewegen astronomen zich naar kleinere planeten en koelere planeten” die meer op de aarde lijken, zegt Charbonneau. “Er is enorm veel enthousiasme in het veld dat we met de juiste telescopen echt … kunnen achterhalen of er al dan niet leven is op andere planeten.”
Charbonneau zegt “het wordt tijd” dat de exoplaneetwetenschap wordt erkend met een Nobelprijs. “De gemeenschap is het er echt over eens dat de ontdekking van 51 Peg de ontdekking was die het veld echt deed ontbranden”, zegt hij.
Andere exoplanet-wetenschappers waren meer verrast. Sara Seager van MIT had niet verwacht dat haar vak de hoogste eer zou winnen. ‘Ik was zo onder de indruk’, zegt ze.
De prijs is een enorme opsteker voor de exoplaneetwetenschap, die sommigen nog steeds zien als ‘een lichtzinnige, bijna postzegelverzamelingsactie’, zegt ze. In slechts 25 jaar “zijn we veranderd van een obscure en lachwekkende rand naar de reguliere wetenschap die nobel waardig is.”
