Tohtoročnú Nobelovu cenu za fyziku získali kanadsko-americký fyzik James Peebles a dvojica švajčiarskych vedcov Michel Mayor a Didier Queloz. J. Peebles sa venuje kozmológii, teda vede o štruktúre a evolúcii vesmíru, švajčiarski vedci boli ocenení za objav prvej exoplanéty, ktorá obieha okolo hviezdy podobnej nášmu Slnku.

Tradícia udeľovania Nobelových cien existuje už 118 rokov, prvýkrát sa tak stalo v roku 1901. Ceremoniál vyhlasovania sa koná vždy v Štokholme na začiatku októbra, samotné odovzdávanie nasleduje na slávnostnom večere v polovici decembra. Každý ocenený dostane okrem pamätnej medaily a diplomu tiež peňažnú odmenu vo výške 9 000 000 švédskych korún, čo je asi 944 000 euro.

Rovnako ako niekoľkokrát v minulosti, aj v roku 2019 sa Nobelova cena za fyziku delí na prvý pohľad zvláštnym spôsobom: na polovicu medzi troch vedcov. Jednu polovicu si odnáša teoretický fyzik James Peebles, druhú potom dva švajčiarski vedci Michel Mayor a Didier Queloz, ktorí naše teoretické poznatky o vesmíre dokázali pretaviť v objav prvej exoplanéty, obiehajúcej okolo Slnku podobnej hviezdy.

Vieme, koľko toho ešte nevieme

Posledné desaťročie je označované ako zlatý vek kozmológie. James Peebles, nositeľ polovice Nobelovej ceny za fyziku pre tento rok, sa zásadným spôsobom zaslúžil o významný pokrok v našom poznávaní vesmíru. Výrazne prispel k rozvoju teórie Veľkého tresku. Stále nemáme presnú predstavu, prečo a ako k nemu došlo, ale mnoho odborníkov, vrátane J. Peeblesa, dokázala vybudovať celý rad presných modelov, ktoré ukazujú, ako sa vesmír vyvíjal.

James Peebles, jeden z nositeľov Nobelovej ceny za fyziku za rok 2019, počas prednášky na univerzite v Princetone v apríli 2018.

Veda však dlho nemala žiadnu možnosť, ako aspoň čiastočne nahliadnuť do čias tesne po Veľkom tresku. Zásadnú zmenu priniesol rok 1964, kedy dvojica amerických fyzikov (a “nobelistov” z roku 1978) Arno Penzias a Robert Wilson dokázala zachytiť žiarenie, ktoré vo vesmíre zostalo z doby tesne po Veľkom tresku, označované ako reliktové žiarenie alebo mikrovlnné žiarenie kozmického pozadia.

Toto žiarenie, ktoré vypĺňa celý vesmír (tvorí akýsi “šum v pozadí”), vzniklo zároveň s Veľkým treskom. V tom čase však bolo premiešané s hmotou do nepriehľadnej „polievky“ fotónov a elementárnych častíc. Až keď vesmír v dôsledku svojho rozpínania vychladol natoľko, že začali vznikať neutrálne atómy ľahkých prvkov, reliktové žiarenie sa oddelilo od hmoty. Odvtedy vlnová dĺžka reliktového žiarenia v dôsledku rozpínania vesmíru neustále narastá. V súčasnosti toto žiarenie detegujeme v mikrovlnnej oblasti spektra.

Aj keď k oddeleniu hmoty a žiarenia došlo, keď mal vesmír asi 380 tisíc rokov, reliktové žiarenie nesie v sebe informácie aj o skoršom vývoji vesmíru a je dnes neuveriteľne cenným zdrojom informácií pre kozmológiu. J. Peebles bol jedným z teoretikov, vďaka ktorým A. Penzias a R. Wilson dokázali presne pochopiť, čo a prečo zachytili (keď vylúčili, že ide o následok prítomnosti holubieho trusu v anténe :-).

Objav to bol veľkolepý. Ďalšie generácie prístrojov napríklad umožnili v reliktovom žiarení nájsť “zárodky” prvých zhlukov hmoty, teda hviezd, galaxií a viditeľného vesmíru vôbec. A presvedčivo ukázali, že naša vesmírna “inventúra” sa naozaj nezaobíde bez prítomnosti niečoho neznámeho. Ukázalo sa, že viditeľná hmota predstavuje iba pár percent z celkového množstva hmoty vo vesmíre.

James Peebles bol celý čas pri tom. Jeho hypotézy o tom, z čoho sa skladá „tmavá hmota“, teda jedna z veľkých a pre nás pritom neviditeľných častí vesmíru, sa síce nepotvrdili, ale stimulovali ďalší vývoj v odbore. Podľa Nobelovej komisie jeho zároveň najsvetlejšia aj najtemnejšia chvíľa prišla v 80. rokoch.

Spolu s ďalšími teoretikmi prispel k oživeniu Einsteinovej myšlienky “kozmologickej konštanty”. Tú Einstein zaviedol do svojich rovníc, aby vysvetlil, prečo sa vesmír správa inak, než by sa mal na základe všeobecnej teórie relativity. Na pohľad je totiž príliš “riedky”, teda obsahuje menej hmoty, a mal by mať iný tvar, ako naznačujú pozorovania.

A. Einsteina však nevysvetliteľná “kozmologická konštanta” rozčuľovala, nikdy sa s ňou nezmieril a snažil sa jej usilovne zbaviť. Avšak nedávne merania rýchlosti rozpínania vesmíru čím ďalej presvedčivejšie ukazujú, že bez ďalšej ingrediencie vesmíru to zrejme nepôjde. V roku 1984 potom J. Peebles spolu s ďalšími teoretikmi prispel k definitívnemu oživeniu Einsteinovej myšlienky pod novým označením “tmavá energia”.

Tá je od tej doby pevnou súčasťou vedeckých úvah o vesmíre. V roku 1998 astronómovia ukázali, že rozpínanie vesmíru sa zrýchľuje a zdá sa, že najlepším vysvetlením je práve „tmavá energia“, ktorá pôsobí proti gravitácii bežnej aj „tmavej hmoty“. Preto sa dnes predpokladá, že práve tmavá energia je zďaleka najväčšou zložkou celého vesmíru: tvorí zhruba 70 percent jeho celkového zloženia.

J. Peebles ani nikto iný dnes nemá presnú predstavu o tom, čo by „tmavú energiu“ mohlo tvoriť. Tento objav čaká na iného „nobelistu“. Kanadsko-americký fyzik dostal ocenenie za to, že pomohol vedu doviesť z takmer úplnej kozmologickej temnoty k úsvitu novej éry výskumu vesmíru.

Pohľad k inému Slnku

Michel Mayor a Didier Queloz skúmali vesmír z iného pohľadu ako James Peebles. Nobelova komisia im polovicu ceny udelila menovite za objav planéty 51 Pegasi b, ktorá obieha okolo svojej hviezdy (51 Pegasi) približne 50 svetelných rokov od Zeme.

Na snímke z augusta 2005 sú dvaja nositelia Nobelovej ceny za fyziku za rok 2019. Vľavo je Michel Mayor, vpravo Didier Queloz. V ruke držia vydanie časopisu Nature, v ktorom bol uverejnený ich článok o objave planéty obiehajúcej okolo hviezdy 51 Pegasi, za ktorý cenu získali.

Samotná planéta je pre ľudí absolútne neobývateľná, pretože ide o plynného obra rozmermi porovnateľného s Jupiterom, ktorý sa však pohybuje v tesnej blízkosti svojej materskej hviezdy. Teplota na povrchu je tak okolo tisícky stupňov Celzia. Na objave oznámenom v roku 1995 bolo zaujímavé predovšetkým to, že išlo o prvú “cudziu planétu” (exoplanétu), obiehajúcu okolo hviezdy podobného typu ako je naše Slnko.

Z vedeckého hľadiska bolo ešte dôležitejšie, ako švajčiarski vedci svoj objav urobili. Pravda, neprišli s úplne originálnym nápadom, veď astronómovia túto metódu používajú na výskum dvojhviezdnych sústav už mnoho desiatok rokov. Metódu však výrazne vylepšili tak, aby sa dala použiť aj na sústavy, v ktorých okolo hviezdy neobieha iná hviezda, ale omnoho menej hmotná planéta.

Metóda je založená na meraní radiálnej zložky rýchlosti hviezdy pomocou zmien vlnovej dĺžky spektrálnych čiar spôsobených Dopplerovým javom. Ako sa hviezda pohybuje okolo spoločného ťažiska s planétou, spektrálne čiary v jej spektre sa posúvajú do červenej (keď sa hviezda od nás vzďaľuje) alebo modrej oblasti spektra (keď sa hviezda približuje). Ak sú k dispozícii veľmi presné pozorovania, môžeme tieto pravidelné zmeny nielen detegovať, ale pomocou zaznamenaných zmien aj určiť, aká planéta by sa okolo hviezdy mohla pohybovať.

Amplitúda zmien radiálnej rýchlosti hviezdy však býva veľmi malá. Pre predstavu, Slnko sa kvôli Jupiteru pohybuje okolo ťažiska Slnečnej sústavy rýchlosťou približne 12 m/s (teda niečo cez 43 km/h), čo je pri rozmeroch Slnka úplne nepatrný pohyb. Zem “rozhýbe” Slnko iba rýchlosťou približne 0,09 m/s. Michel Mayor zostavil spektrograf na presné meranie radiálnych rýchlostí už v 70. rokoch 20. storočia, ale nedosahoval takú presnosť, aby sa s ním dali uskutočniť pozorovania zmien rýchlostí

hviezd spôsobených ich planétami. Radiálne rýchlosti hviezd tento prístroj meral s chybou okolo 300 m/s. Ale M. Mayor sa myšlienky nevzdal a v 90. rokoch poveril svojho vtedajšieho doktoranda Didier Queloza, aby presnosť merania zvýšil. To sa s použitím celého radu “vylepšení” podarilo a od roku 1994 mala švajčiarska skupina k dispozícii zariadenie, ktoré, aspoň teoreticky, dokázalo odhaliť aj planéty veľkosti Jupitera obiehajúce okolo Slnku podobných hviezd. Tento spektrograf dokázal merať s chybou zhruba 10-15 m/s.

Objav planéty 51 Pegasi b možno považovať, minimálne symbolicky, za začiatok novej éry v astronómii, “doby planét”. Veď dnes už poznáme viac ako 4 000 exoplanét a nie je pochýb o tom, že ich počet bude i naďalej rásť. Odborníci tiež optimisticky odhadujú, že citlivosť pozorovacích metód (a to nielen merania radiálnych rýchlostí, ale výhľadovo i priameho pozorovania) sa bude i naďalej zvyšovať. Behom pár desiatok rokov by sme sa tak snáď mohli dozvedieť, koľko je v našom okolí planét vhodných pre vznik života – a trebárs aj niečo oveľa, oveľa zaujímavejšie.

Výskumu exoplanét sa venujeme aj na Katedre teoretickej fyziky a astrofyziky. Napríklad doktorand Pavol Gajdoš vo svojej dizertačnej práci skúma stabilitu orbitálnych dráh exoplanetárnych systémov s viacerými zložkami.

Použitím zahraničných zdrojov spracoval

Rudolf Gális