Czytaj dalej

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].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.