Trzy argumenty za Noblem dla Jima Peeblesa

Poznaliśmy tegorocznych noblistów w dziedzinie fizyki. Tym razem Sztokholm docenił badania kosmosu, przyznając wyróżnienie astronomom – Michaelowi Mayorowi i Didierowi Quelozowi, a także architektowi współczesnej kosmologii – Jamesowi Peeblesowi.

Wszechświat jest, łagodnie mówiąc, układem skomplikowanym i naiwnością byłoby przypuszczać, że w najbliższym czasie zabraknie owocnych tematów badań naukowych.

Jim Peebles

Długo trwało zanim uczeni zgłębiający tajemnice kosmosu zaczęli być przez Komisję Noblowską traktowani poważnie. W całej 118-letniej historii Nobla, wyróżnienia dla astronomów, radioastronomów, astrofizyków oraz kosmologów dałoby się zliczyć na palcach jednej ręki. Na całe szczęście w ostatnich latach coś drgnęło, a badania wszechświata cieszą się coraz większym uznaniem. I tak, w 2006 roku przyznano Nobla za analizę anizotropii mikrofalowego promieniowania tła, w 2011 nagrodzono pomiary tempa ekspansji wszechświata, zaś w 2017 laur powędrował do odkrywców fal grawitacyjnych.

Nobel za rok 2019 przypadł w połowie Jimowi Peeblesowi – za olbrzymi wkład w rozwój kosmologii – podczas gdy drugą “połówką” podzielili się Michael Mayor i Didier Queloz, którzy odkryli planetę Dimidium w układzie 51 Pegasi. Wyróżnienie dla Szwajcarów niesie ze sobą pewną kontrowersję. Zarejestrowali oni pierwszą egzoplanetę krążącą wokół gwiazdy ciągu głównego podobnej Słońcu, jednak nie pierwszą w ogóle. Jak wszyscy doskonale wiemy, dokonał tego Aleksander Wolszczan, analizujący sygnały pulsara PSR 1257+12.

Dlaczego praca Mayora i Queloza zyskała większe uznanie? Nie chcę spekulować, więc zamiast tego skupię się dziś na tym laureacie, którego wkład w naukę nie powinien budzić wątpliwości. Nie piszę tego wyłącznie dla kurtuazji. Zaledwie kilka miesięcy temu miałem sposobność powoływania się na autorytet Jamesa Peeblesa i omyłkowo nazwałem go w tekście “noblistą”. Oczywiście błąd został mi szybko wytknięty w komentarzach, ale jak widać miałem nosa, a kanadyjski kosmolog doczekał się swojej wielkiej chwili.

Philip James Edwin Peebles, noblista w dziedzinie fizyki za rok 2019.

Dlaczego Peeblesowi Nobel należał się jak psu zupa? Oto dwa dobre i jeden taki sobie powód.

Bo przewidział promieniowanie reliktowe

W 1978 roku teoretycy dostali solidnego kopa w kroczę. Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki powędrowała w ręce Arno Penziasa oraz Roberta Woodrowa Wilsona, którzy kilkanaście lat wcześniej jako pierwsi zarejestrowali mikrofalowe promieniowanie tła. Wydaje się, że trudno o mniej kontrowersyjne osiągnięcie. Oto udało się wyłapać leciutki szum wyemitowany niedługo po wielkim wybuchu. Sęk w tym, że dwaj inżynierowie Laboratoriów Bella wcale nie zamierzali zaglądać naturze pod spódnicę, a tajemnicze fale elektromagnetyczne potraktowali jako… pospolite zakłócenie. Raz po raz kalibrowali sprzęt, owijali złącza taśmą aluminiową, sprzątali gołębie odchody – lecz dobiegający z każdej strony złośliwy sygnał nie ustępował. Po kilku miesiącach rozwiązanie znalazło się samo. Podczas przypadkowej rozmowy z zaprzyjaźnionym radioastronomem, Penzias dowiedział się, że szumu mikrofalowego o podobnej charakterystyce z jakiegoś powodu poszukują fizycy z pobliskiego Uniwersytetu w Princeton.

Tymi uczonymi byli Robert Dicke i młodszy Jim Peebles. Kilka lat wcześniej wybitny teoretyk George Gamow zasugerował, że jeśli wszechświat w swej młodości był gęsty i gorący, to całą przestrzeń powinna obecnie wypełniać jakaś forma promieniowania reliktowego. Jego koledzy z Princeton poczynili obliczenia i nadali tej koncepcji konkretnych kształtów. Peebles zajął się przypuszczalną temperaturą tła, która po kilkunastu miliardach lat musiała wynosić mniej niż 5K (obecnie wiemy, że to 2,7K). Kropką nad “i” miało być przeprowadzenie obserwacji przez wznoszony w kampusie Princeton radioteleskop. Tuż przed rozpoczęciem badań Dicke odebrał telefon od Penziasa, który poinformował go o szczęśliwym odkryciu.

Mikrofalowe promieniowanie tła
“Mapa wszechświata” na podstawie mikrofalowego promieniowania tła.

Dane nie pozostawiały złudzeń: dwóm młodzieńcom z Laboratoriów Bella przypadł zaszczyt odnalezienia Świętego Graala kosmologów. Przypadkiem trafili na najważniejszy dowód potwierdzający poprawność teorii wielkiego wybuchu. Bezdyskusyjnie zasłużyli na swoje miejsce w historii nauki. Jednocześnie trudno się wyzbyć wrażenia, że decyzja o przyznaniu im Nobla przy zupełnym pominięciu Gamowa, Dicke’a oraz Peeblesa, była nieco krzywdząca.

Bo policzył z czego składa się wszechświat

Kilka miesięcy temu opublikowałem tekst, w którym starałem się przedstawić pokrótce, co i w jakich proporcjach składa się na zawartość wszechświata. Nie mógłby on powstać gdyby nie szczegółowe dane zaczerpnięte z jednej z najciekawszych publikacji naukowych, jakie kiedykolwiek wpadły mi w ręce: The Cosmic Energy Inventory, autorstwa Masataki Fukugity i Jamesa Peeblesa. Jak wskazuje sam tytuł, duet podjął się heroicznego wysiłku, dokonując przeglądu współczesnych teorii kosmologicznych, tworząc na tej podstawie spis powszechny wszystkich elementów składowych wszechświata. Naprawdę wszystkich, bez wyjątku. Fizycy uwzględnili wszelkie znane formy materii, każdy rodzaj promieniowania i całą istniejącą energię.

Materia barionowa we wszechświecie

Dlaczego to takie świetne? Jeżeli mieliście do czynienia z jakąkolwiek książką o kosmologii, zapewne słyszeliście, że główną osnowę wszechświata stanowią ciemna energia oraz ciemna materia. Jednak mało kto konkretyzuje co dokładnie kryje pozostałe ~5%. Z pracy Peeblesa i Fukugity dowiadujemy się, że większość “zwykłej” materii barionowej przyjmuje charakter rozrzedzonego medium wypełniającego przestrzeń międzygalaktyczną. Wszystkie gwiazdy wraz z układami planetarnymi, to śmieszne 0,15% ogólnego kosmicznego bilansu masy/energii. Białe karły 0,036%. Czarne dziury 0,007%. Gwiazdy neutronowe 0,005%. I tak dalej. Fizycy wzięli w rachubę nawet takie szczegóły, jak energię wypromieniowywaną przez gwiazdy czy masę kosmicznych neutrin – wszystko, co powinno wpłynąć na ewolucję wszechświata. To robi wrażenie i porządkuje aktualną wiedzę, zawartą w modelu λCDM.

Bo dostrzegł łapska ciemnej materii

Wiecie kto jako pierwszy rzucił pomysłem ciemnej materii? Fritz Zwicky. Kto dokonał pierwszych obserwacji, wskazujących na zatrważające braki w widocznej masie wszechświata? Vera Rubin. A kto wziął na siebie ciężar wyliczeń, symulacji i stworzenia pierwszych modeli uwzględniających obecność ciemnej materii? Jim Peebles.

W latach 70. nasz noblista nawiązał nadzwyczaj udaną współpracę z Jeremiahem Ostrikerem. Obaj panowie opublikowali wspólnie dziesiątki prac, z których część do chwili obecnej stanowi kanon wiedzy o budowie i procesie powstawania galaktyk.

Prowadząc badania, uczeni musieli w końcu (podobnie do Very Rubin) zmierzyć się z tzw. problemem krzywej rotacji. Analizy wykazywały, że przy znanych wartościach energii kinetycznej i siły grawitacji (kryterium Ostrikera-Peeblesa), dyski galaktyczne wykazywały kompletny brak stabilności. Ich masy szacowane wyłącznie w oparciu o gwiazdy i znaną nam, “świecącą” materię, wyglądały na zdecydowanie zbyt niskie. Jako, że Peebles i Ostriker doskonale znali koncepcję Zwicky’ego, a także regularnie wymieniali poglądy z Rubin, odważyli się wprowadzić do równań nowatorskie poprawki. Swój artykuł zaczęli w iście hitchcockowskim stylu: “Istnieją dowody, rosnące w liczbie i jakości, aby sądzić, że masy zwykłych galaktyk mogą być niedoszacowane 10 lub więcej razy”.

Chociaż z definicji ciemna materia jest niewidzialna, to możemy zaobserwować jak jej grawitacja deformuje obraz leżących dalej obiektów.

Co prawda uczeni nieco przesadzili w swoich rachunkach, ale co do zasady trafili w sedno. Dodając do galaktycznego halo sporo dodatkowej masy, modele matematyczne zaczęły odpowiadać temu, co obserwujemy w przyrodzie. Mimo początkowego oporu, za sprawą kolejnych badań i odkryć (zwłaszcza dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu) koncepcja brakującej masy zadomowiła się we współczesnej nauce. Obecnie nie pytamy już, czy ciemna materia istnieje, lecz czym są cząstki, które ją budują?


Oczywiście to tylko część pokaźnego dorobku Jima Peeblesa. Kanadyjczyk należy do niedocenianej kategorii uczonych, którzy może nie mieli szczęścia do samodzielnego oszałamiającego odkrycia, ale sukcesywnie poszerzali swoją dziedzinę, maczając palce w niemal każdej istotnej koncepcji. Bez względu na to czy weźmiecie do ręki podręcznik poświęcony wielkiemu wybuchowi, ciemnej materii, ciemnej energii, modelom kosmologicznym czy scenariuszom przyszłości wszechświata – bez wątpienia w końcu traficie na nazwisko świeżo upieczonego noblisty.

Literatura uzupełniająca:
N. deGrasse Tyson, M. Strauss, R. Gott, Witamy we wszechświecie. Podróż astrofizyczna, przeł. J. Bieroń, Poznań 2019;
P. Halpern, Nasz inny wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2012;
S. Hawking, L. Mlodinov, Jeszcze krótsza historia czasu, przeł. J. Bieroń, Warszawa 2015;
J. Peebles, M. Fukugita, The Cosmic Energy Inventory, [online: https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March04/Fukugita/frames.html];
J. de Swart, G. Bertone1, J. van Dongen, How Dark Matter Came to Matter, [online: http://philsci-archive.pitt.edu/13002/1/deSwartBertoneVanDongen_NatureAstronomy_PrePrint.pdf].
Zagrajmy w czasoprzestrzenny bilard Dalej niż kot Schrödingera 50 ciekawostek na 50-lecie misji Apollo 11