Naar de content

Nobelprijs natuurkunde voor kosmologie en exoplaneten

Niklas Elmedhed. © Nobel Media.

De Nobelprijs voor natuurkunde gaat dit jaar voor de ene helft naar kosmoloog James Peebles en voor de andere helft naar de exoplanetenjagers Michel Mayor en Didier Queloz. Alledrie bestuderen ze het heelal, maar hun methodes en onderwerp van onderzoek zijn compleet verschillend.

8 oktober 2019

Hemelkaart van de kosmische achtergrondstraling. De kleuren geven afwijkingen aan in de ‘temperatuur’ van de straling. Geel is heter, donkerblauw koeler. Het patroon in deze afwijkingen verraadt de omstandigheden die heersten vlak na de Oerknal, 13,8 miljard jaar geleden.

Nasa

“Het is een levenswerk”, zei James Peebles tijdens het openbare telefonisch interview op de persconferentie direct na de bekendmaking door het Nobelprijscomité. Een journalist had hem gevraagd naar zijn belangrijkste ontdekking. Formeel is dit antwoord in strijd met de criteria voor de Nobelprijs: die wordt toegekend voor een concrete ontdekking.

De praktijk van de Nobelprijzen is echter allang, dat het comité ofwel een vrij recente spectaculaire ontdekking bekroont (zoals de ontdekking van het Higgs-deeltje of gravitatiegolven), ofwel lange, eerbiedwaardige carrières in de wetenschap.

Evolutie van het heelal vlak na de Oerknal

De Amerikaan James Peebles (1935) onderzoekt al sinds 1964 met theoretische modellen hoe het heelal is ontstaan uit de oerknal en zich daarna heeft ontwikkeld. “Ik voelde me eerst heel ongemakkelijk toen ik me in dit onderwerp specialiseerde”, bekende hij in hetzelfde telefonische interview, “omdat er zo weinig experimenteel bewijsmateriaal was.” Maar al een jaar later kwam het belangrijkste bewijsstuk voor de oerknal boven water: de detectie van de kosmische achtergrondstraling. Dit is het ‘nagloeien’ van de hemel, afkomstig uit de periode vlak na de oerknal, toen het heelal letterlijk gloeiend heet was. Dit is nu nog steeds waarneembaar als radiostraling die uit alle richtingen van de hemelbol, vrijwel perfect egaal verdeeld, op ons af komt. Fysici Penzias en Wilson kregen voor die eerste detectie al in 1978 de Nobelprijs.

Peebles was een van de theoretici die de kosmische achtergrondstraling voorspeld had, maar hij was ook degene die het verband legde met hoeveel helium er vlak na de oerknal ontstaan was. De zichtbare materie in het heelal bestaat voor ongeveer 75 procent uit waterstof en 20 procent uit helium, en dat percentage helium klopte met Peebles’ berekeningen over de ‘temperatuur’ van ongeveer 3 Kelvin van de kosmische achtergrondstraling (3 Kelvin is – 270 graden Celsius. Een voorwerp dat je in een laboratorium afkoelt tot deze temperatuur, zendt spontaan dezelfde radiostraling uit als de kosmische achtergrondstraling).

Peebles bleef in de decennia daarna belangrijke bijdragen leveren aan de theoretische kosmologie. “Het onderwerp groeide, en ik groeide mee,” zei hij er zelf over bij de bekendmaking van de prijs. Hij bedacht als eerste, dat de kosmische achtergrondstraling toch kleine oneffenheden moest vertonen, en dat uit dit patroon was af te leiden hoeveel donkere materie het heelal bevat. Toen die oneffenheden in 1992 echt waargenomen werden, kregen de experimentele waarnemers daarvoor een Nobelprijs. Zo ging het ook met de ontdekking van de versnelde uitdijïng van het heelal, in 1998: de astronomische waarnemers kregen de Nobelprijs, hoewel Peebles dit al voorzien had. Dat hij zelf nu een keer aan de beurt is, zullen daarom weinigen betwisten.

Jagen op exoplaneten

De Zwitsers Michel Mayor (1942) en Didier Queloz (1966) zijn geen theoretici, maar waarnemers. Zij waren de eersten, in 1995, die er in slaagden om een exoplaneet – een planeet rond een andere ster dan de zon – waar te nemen. Dit ging indirect: als een planeet rond een ster draait, beweegt niet alleen de planeet, maar de veel zwaardere ster beweegt ook enigszins in de rondte (fysisch gesproken, draaien beiden rond het gemeenschappelijk zwaartepunt). Die geringe beweging zorgt er voor, dat al het licht van de ster een periodiek veranderlijke Doppler-verschuiving vertoont. Als de ster naar de aarde toe beweegt, is het licht iets blauwer getint (verkorte golflengtes), als hij van de aarde af beweegt, iets roder (verlengde golflengtes). Dit is een soortgelijk effect als de toonhoogte van de sirene van een ambulance die ineens van hoog naar laag gaat als die je voorbij rijdt.

Overzicht van de eigenschappen van de circa vierduizend exoplaneten die tot nu toe ontdekt zijn. Links de massa, rechts de straal van de planeet uitgezet tegen z’n omlooptijd rond de ster. De planeten in ons eigen zonnestelsel zijn statistisch gezien buitenbeentjes. Voor een deel komt dit doordat exoplaneten die heel zwaar zijn en in heel krappe banen rond hun ster draaien, makkelijker te ontdekken zijn.

Exoplanet Science Strategy, National Academies Press, 2018

Om dit geringe Doppler-effect te detecteren, moesten Mayor en Queloz eerst een ultra-gevoelige spectrograaf bouwen. Dit is een instrument dat achter een grote telescoop hangt en het licht van een ster ‘uiteenrafelt’ in z’n afzonderlijke golflengtes. Toen deze experimentele techniek eenmaal ontwikkeld was, zijn door Mayor en Queloz, en door andere groepen astronomen over de hele wereld, enorme aantallen exoplaneten ontdekt. De teller staat nu op ongeveer vierduizend.

Vaderlijk

Exoplaneten is ook een van de zwaartepunten van het onderzoek aan de Leidse Sterrewacht. Astronoom Ignas Snellen kent beide kersverse Nobelprijswinnaars persoonlijk: “Mayor is heel vaderlijk, echt een heel aardige man. Queloz is iemand die altijd een stevige mening heeft. Dus samen vormen ze een interessant koppel. In het begin hebben ze veel samengewerkt, maar Mayor is nu achter in de zeventig, dus niet zo heel actief meer.” Snellen vindt dat beiden de prijs zeker verdienen: “Het zijn de vaders van dit onderzoeksveld. Zij zijn ook de reden dat ik, en veel anderen, deze kant van het onderzoek op gegaan zijn.”

Het onderzoek naar exoplaneten zit nog steeds in de lift. Snellen en zijn collega’s verwachten veel van de lancering van de James Webb-ruimtetelescoop, de lang verwachte opvolger van de Hubble. Als alles een beetje meezit, zal die de samenstelling van de atmosfeer van exoplaneten kunnen detecteren. En daarom misschien wel de chemische voetafdruk van buitenaards leven.

Bron

Uitgebreide toelichting op het werk van de laureaten door het Nobelcomité

ReactiesReageer