Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 41 – vyšlo 18. listopadu, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

41/2019

Nobelova cena za kosmologii a za objev exoplanety

Petr Kulhánek

Letošní Nobelova cenaNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za fyziku bude udělena za astronomii. První polovinu ceny získá Jim Peebles za teoretické objevy ve fyzikální kosmologiiKosmologie – nauka o vesmíru jako celku, o jeho struktuře, minulosti a budoucnosti. Slovní základ této vědecké disciplíny pochází z řečtiny. Slovo „kosmos“ v tomto jazyku znamená svět, ale také řád, eleganci a krásu. Stejný slovní základ má kosmetika. Současné pozorovací možnosti posunuly kosmologii do nejbouřlivěji se rozvíjejících vědeckých disciplín. K největším problémům současné kosmologie patří nejasnosti kolem podstaty temné hmoty a temné energie, které by měly být největší součástí vesmíru. Naopak jsou relativně dobře prozkoumány poslední fáze Velkého třesku., druhou polovinu si odnesou Michel Mayor a Didier Queloz za objev exoplanetyExoplaneta – extrasolární planeta, planeta obíhající okolo jiné hvězdy, než je naše Slunce. Jejich existence byla předpovězena dlouhou dobu, první exoplaneta u pulzaru byla detekována v roce 1992, první exoplaneta u hvězdy hlavní posloupnosti byla objevena až v roce 1995 u hvězdy 51 Pegasi. Její objevitelé – Michel Mayor a Didier Queloz – získali v roce 2019 Nobelovu cenu. Do roku 2019 bylo nalezeno přibližně 4 000 exoplanet. Většinou jde o velká tělesa s hmotností a velikostí jen o málo menší, než mají hnědí trpaslíci. obíhající hvězdu podobnou Slunci. Jde o obdivuhodný slepenec dvou zcela nesourodých vědeckých disciplín – teoretické kosmologie a ryze experimentální práce lovců exoplanet. Naštěstí mají oba obory alespoň společného jmenovatele – poznávání vesmíru. Po loňském pokusu o genderovou vyváženost Nobelových cen se nobelovský výbor pravděpodobně pustil do dalšího zajímavého experimentu. Není bez zajímavosti, že za dobu udílení Nobelových cen, tj. v letech 1901 až 2019, bylo předáno celkem 213 Nobelových cen za fyziku, z toho jeden jediný oceněný, John Bardeen, získal cenu dvakrát. Oceněných je tedy 212.

Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2019 získali Jim Peebles (1/2) za teoretické práce v kosmologii a Michel Mayor (1/4) spolu s Didierem Quelozem (1/4) za objev exoplanety obíhající kolem hvězdy podobné Slunci. Z oficiálních portrétů konečně zmizela modrá barva připomínající posmrtné skvrny či nějakou ošklivou chorobu. Zdroj: Nobel media. Ilustrace: Niklas Elmehed.

Medaile udělovaná oceněným

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. Kosmologie – nauka o vesmíru jako celku, o jeho struktuře, minulosti a budoucnosti. Slovní základ této vědecké disciplíny pochází z řečtiny. Slovo „kosmos“ v tomto jazyku znamená svět, ale také řád, eleganci a krásu. Stejný slovní základ má kosmetika. Současné pozorovací možnosti posunuly kosmologii do nejbouřlivěji se rozvíjejících vědeckých disciplín. K největším problémům současné kosmologie patří nejasnosti kolem podstaty temné hmoty a temné energie, které by měly být největší součástí vesmíru. Naopak jsou relativně dobře prozkoumány poslední fáze Velkého třesku. Exoplaneta – extrasolární planeta, planeta obíhající okolo jiné hvězdy, než je naše Slunce. Jejich existence byla předpovězena dlouhou dobu, první exoplaneta u pulzaru byla detekována v roce 1992, první exoplaneta u hvězdy hlavní posloupnosti byla objevena až v roce 1995 u hvězdy 51 Pegasi. Její objevitelé – Michel Mayor a Didier Queloz – získali v roce 2019 Nobelovu cenu. Do roku 2019 bylo nalezeno přibližně 4 000 exoplanet. Většinou jde o velká tělesa s hmotností a velikostí jen o málo menší, než mají hnědí trpaslíci. Hlavní posloupnost – skupina hvězd táhnoucí se diagonálně v HR diagramu. Hvězdy hlavní posloupnosti svítí energií vzniklou fúzí vodíku, mezi tyto hvězdy patří i Slunce. Nejvíce jsou zastoupeny chladné, málo svítivé hvězdy. Jde o první stádium hvězdného vývoje.

Peebles a kosmologie

Moderní kosmologie začíná v roce 1927, kdy Slipherova měření červených posuvů galaxií správně interpretoval belgický kněz abbé Georges Lemaître jako expanzi vesmíru. Lemaître také přišel s představou prvotního atomu – malé, horké a husté oblasti, z níž vesmír vznikl. Jeho myšlenky na konci 40. let dvacátého století rozpracoval ruskoamerický fyzik George Gamow se spolupracovníky – Ralphem Alpherem a Robertem Hermanem. Tato trojice položila základy současné teorie Velkého třesku, tedy horkého původu vesmíru. Na základě tehdejších znalostí jaderné fyziky počítali, jak v zárodečném plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. vznikají jádra lehkých prvků a zjistili, že by Velký třesk měl skončit oddělením záření od látky. Toto záření, které dodnes bloudí vesmírem, se nazývá reliktní záření. Objeveno bylo ale až mnohem později.

V šedesátých letech prováděla podobné výpočty také skupina amerických fyziků pod vedením Roberta Dickeho. V tehdejším týmu byli Jim Peebles, David Todd Wilkinson a Peter Roll. Zabývali se, podobně jako v Gamowově týmu, primordiální nukleosyntézou (tvorbou lehkých atomových jader v raném vesmíru) a oddělením záření od látky. Když se pokoušeli zkonstruovat vhodnou anténu pro detekci tohoto záření, dozvěděli se o šumu naměřeném Arno Penziasem a Robertem Wilsonem z Bellových telefonních laboratoří. Robert Dicke ihned pochopil, že by mohlo jít o reliktní záření a situaci komentoval slovy: „Pánové, někdo nám vypálil rybník!“ Nakonec vyšel v roce 1965 v Astrophysical Journal slavný dvojčlánek: v první části odvozuje Dickeho princetonský tým, že by v současnosti měl být kolem nás všudypřítomný šum z konce Velkého třesku. V navazujícím článku Penzias a Wilson popisují nalezení šumu neznámého původu. Nobelovu cenu za objev reliktního záření získali v roce 1978 jen Penzias a Wilson. Dicke mezi oceněnými nebyl. Po více než půl století, kdy hlavní protagonisté Dickeho skupiny dávno zemřeli, získává Nobelovu cenu za kosmologii osmdesátičtyřletý Jim Peebles, tehdejší doktorský student. Peebles se kosmologií zabýval i v dalších desetiletích. Vytvářel modely přeměny prvotních fluktuací, jejichž otisk je pozorován v reliktním záření, do dnes pozorovaných struktur, jakými jsou galaxie a kupy galaxií. Vytvářel také alternativní modely vzniku těchto struktur, které nevyžadují temnou hmotu, ty ale nakonec nebyly v souladu s pozorováními, a tak se staly jen slepou uličkou na křižovatkách poznání.

Reliktní záření ze sondy Planck. Jde o dosud nejpodrobnějšší snímky zveřejněné v červenci 2018. Na horním snímku je mapa teplotních fluktuací. Na dolním snímku je polarizace reliktního záření s vyhlazenou mapou teplotních fluktuací na pozadí. Zdroj: ESA, Planck Collaboration.

Exoplanety

Generace astronomů před námi předpokládali, že naše Sluneční soustava nebude jedinou ve vesmíru. Bylo uvěřitelné, že kolem jiných hvězd také obíhají planety, podobně jako kolem našeho Slunce. V okolí rodících se hvězd byly na konci 20. století objeveny oblasti, o kterých se přepokládalo, že jde o protoplanetární disky, z nichž se planety vytvářejí. V roce 1992 byla detekována první exoplaneta obíhající neutronovou hvězduNeutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 M_S (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 10¹⁷ kg m⁻³ dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století. (pulzarPulzar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulzy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulzar byl objeven v roce 1967 Jocelyn Bellovou (dnes Jocelyn Bell Burnell) pod vedením Anthony Hewishe.). Detekce byla založena na zpožďování a předbíhání velmi přesných pulzů vysílaných pulzarem, které způsoboval oběh dvou planet kolem tohoto tělesa. Tuto historicky první detekci provedli polský astronom Aleksander Wolszczan a kanadský astronom Dale Frail. Jejich objev byl zpočátku zpochybňován, ale později se potvrdil. První detekce planety obíhající „normální“ hvězdy provedli až v roce 1995 Michel Mayor a jeho doktorský student Didier Queloz ve Francii na Observatoire de Haute-Provence, kde pracovali s novým spektrografem ELODIE. Využili změnu radiální rychlosti hvězdy 51 Pegasi způsobenou oběhem exoplanety kolem hvězdy hlavní posloupnostiHlavní posloupnost – skupina hvězd táhnoucí se diagonálně v HR diagramu. Hvězdy hlavní posloupnosti svítí energií vzniklou fúzí vodíku, mezi tyto hvězdy patří i Slunce. Nejvíce jsou zastoupeny chladné, málo svítivé hvězdy. Jde o první stádium hvězdného vývoje.. Právě za tento objev, který odstartoval doslova hon na další exoplanety, obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2019. Dnes se exoplanety objevují celou řadou metod, například ze změny jasnosti hvězdy při přechodu exoplanety přes její disk (tzv. tranzitní fotometrie) nebo pomocí mikročočkování. Současné metody jsou podrobněji popsány v sekci Astrofyzika, v části Exoplanety. Mnoho zajímavostí naleznete také v bulletinu AB 11/2003, který je věnován exoplanetám. První přímé fotografie exoplanet byly pořízeny v roce 2008 (například planety Beta Pictoris b nebo Fomalhaut b), v roce 2009 byla poprvé vyfotografována vícenásobná planetární soustava (HR8799 v souhvězdí Pegase). Do dnešního dne byly objeveny přibližně čtyři tisívcovky těchto cizích světů.

HR8799 – první přímé zobrazení vícenásobné planetární soustavy (listopad 2009). Svit centrální hvězdy je interferometricky potlačen. Čtyři obří planety obíhají kolem hvězdy hlavní posloupnosti ve vzdálenosti 130 světelných roků v souhvězdí Pegase. Zdroj: Marois a kol. Nature.

Jim Peebles (*1935)

Nositel Nobelovy ceny za kosmologii Phillip James Edwin Peebles

Jim Peebles (celým jménem Phillip James Edwin Peebles) je kanadskoamerický astrofyzik a teoretik. Vystudoval Manitobskou univerzitu v Kanadě, doktorské studium absolvoval pod vedením amerického astronoma Roberta Dickeho v Princetonu, kde zůstal po celou svou aktivní vědeckou kariéru. V Dickeho týmu analyzovali podmínky Velkého třesku, zejména vznik lehkých atomových jader a oddělení reliktního záření od látky na konci Velkého třesku. V pozdějších letech Peebles rozpracoval model vývoje prvotních fluktuací v raném vesmíru do velkorozměrových struktur. Uvažoval jak standardní model s přítomností temné hmoty, tak alternativní modely bez temné hmoty, které ale byly v rozporu s pozorováním. Peebles získal za svůj přínos ke kosmologii řadu ocenění: Eddingtonovu medaili, Bruceovu medaili, zlatou medaili Královské astronomické společnosti, Gruberovu kosmologickou cenu a další. Je členem londýnské Královské společnosti. V roce 2019 získal za teoretický přínos kosmologiiKosmologie – nauka o vesmíru jako celku, o jeho struktuře, minulosti a budoucnosti. Slovní základ této vědecké disciplíny pochází z řečtiny. Slovo „kosmos“ v tomto jazyku znamená svět, ale také řád, eleganci a krásu. Stejný slovní základ má kosmetika. Současné pozorovací možnosti posunuly kosmologii do nejbouřlivěji se rozvíjejících vědeckých disciplín. K největším problémům současné kosmologie patří nejasnosti kolem podstaty temné hmoty a temné energie, které by měly být největší součástí vesmíru. Naopak jsou relativně dobře prozkoumány poslední fáze Velkého třesku. polovinu Nobelovy ceny za fyziku. O druhou polovinu se dělí Michel Mayor a Didier Queloz, kteří ji získali za objev exoplanety obíhající kolem hvězdy hlavní posloupnostiHlavní posloupnost – skupina hvězd táhnoucí se diagonálně v HR diagramu. Hvězdy hlavní posloupnosti svítí energií vzniklou fúzí vodíku, mezi tyto hvězdy patří i Slunce. Nejvíce jsou zastoupeny chladné, málo svítivé hvězdy. Jde o první stádium hvězdného vývoje..

Michel Mayor (*1942)

Nositel Nobelovy ceny za objev exoplanety 51b Pegasi Michel Mayor

Michel Mayor je švýcarský astrofyzik, spoluobjevitel první exoplanety obíhající hvězdu podobnou Slunci. Vystudoval Lausannskou univerzitu, doktorát získal na Ženevské univerzitě. Většinu profesní dráhy strávil na Astronomickém oddělení Ženevské univerzity, kde se stal profesorem, a na Ženevské observatoři. Zpočátku se věnoval galaktické astronomii, poté dvojhvězdám a jejich detekci ze změn radiální rychlosti. Získal Mezinárodní cenu Viktora Ambarcumjana, Kjótskou cenu a v roce 2019 obdržel spolu se svým doktorským studentem Didierem Quelozem polovinu Nobelovy ceny za výše zmíněný objev exoplanety obíhající kolem hvězdy hlavní posloupnostiHlavní posloupnost – skupina hvězd táhnoucí se diagonálně v HR diagramu. Hvězdy hlavní posloupnosti svítí energií vzniklou fúzí vodíku, mezi tyto hvězdy patří i Slunce. Nejvíce jsou zastoupeny chladné, málo svítivé hvězdy. Jde o první stádium hvězdného vývoje.. Druhou polovinu ceny získal Jim Peebles za teoretický přínos ke kosmologiiKosmologie – nauka o vesmíru jako celku, o jeho struktuře, minulosti a budoucnosti. Slovní základ této vědecké disciplíny pochází z řečtiny. Slovo „kosmos“ v tomto jazyku znamená svět, ale také řád, eleganci a krásu. Stejný slovní základ má kosmetika. Současné pozorovací možnosti posunuly kosmologii do nejbouřlivěji se rozvíjejících vědeckých disciplín. K největším problémům současné kosmologie patří nejasnosti kolem podstaty temné hmoty a temné energie, které by měly být největší součástí vesmíru. Naopak jsou relativně dobře prozkoumány poslední fáze Velkého třesku. .

Didier Queloz (*1966)

Didier Queloz, nositel Nobelovy ceny za objev exoplanety 51 Pegasi b

Didier Queloz je švýcarský astronom, spoluobjevitel první exoplanety 51 Pegasi b obíhající hvězdu podobnou Slunci. Tuto exoplanetu objevil v rámci doktorského studia vedeného Michelem Mayorem. Studoval na Ženevské univerzitě, kde získal i doktorát a v roce 2012 profesuru. V současnosti je také profesorem v Cavendishově laboratoři v Cambridge, kde se zabývá tranzitní fotometrií – hledáním exoplanet z poklesu jasnosti mateřské hvězdy při přechodu (tranzitu) explanety přes hvězdný disk. Tato účinná metoda funguje jen při vhodné orientaci objektů. Queloz je ve vědeckých týmech několika projektů, z nichž k nejvýznamnějším patří skupina vyhodnocující data z družicové mise CoRoT. V roce 2019 získal spolu se svým někdejším školitelem Michelem Mayorem polovinu Nobelovy ceny za fyziku za objev exoplanety 51 Pegasi b. Druhou polovinu ceny obdržel Jim Peebles za teoretický přínos ke kosmologiiKosmologie – nauka o vesmíru jako celku, o jeho struktuře, minulosti a budoucnosti. Slovní základ této vědecké disciplíny pochází z řečtiny. Slovo „kosmos“ v tomto jazyku znamená svět, ale také řád, eleganci a krásu. Stejný slovní základ má kosmetika. Současné pozorovací možnosti posunuly kosmologii do nejbouřlivěji se rozvíjejících vědeckých disciplín. K největším problémům současné kosmologie patří nejasnosti kolem podstaty temné hmoty a temné energie, které by měly být největší součástí vesmíru. Naopak jsou relativně dobře prozkoumány poslední fáze Velkého třesku. .

Odkazy