Huldir hlutar alheimsins spruttu upp úr greinum Nóbelsverðlaunahafans

Kennilegi eðlisfræðingurinn James Peebles sem hlaut Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði í gær lagði í reynd grundvöllinn að nútímaheimsfræði, að sögn íslensks stjarneðlisfræðings sem varði doktorsritgerð sina meðal annars fyrir Peebles. Hann segir að hugtökin hulduorka og efni hafi svo gott sem sprottið upp úr greinum Nóbelsverðlaunahafans.

Tilkynnt var um verðlaunahafana í Stokkhólmi í gær. Peebles, prófessor emirítus við Princeton-háskóla í Bandaríkjunum, deilir verðlaunum í eðlisfræði með tveimur svissneskum stjörnufræðingum sem fundu fyrstu fjarreikistjörnuna árið 1995.

Ólíkt mörgum fyrri verðlaunahöfum fékk Peebles, sem er 84 ára gamall og fæddur í Manitoba í Kanada, verðlaunin ekki fyrir einstaka uppgötvun heldur heildarframlag sitt til heimsfræðinnar sem hann átti stóran þátt í að móta sem fræðigrein.

„Hann fær Nóbelsverðlaunin fyrir að leggja grundvöllinn að nútímaheimsfræði, ég held að það sé sanngjarnt að segja það,“ segir Jón Emil Guðmundsson, doktor í heimsfræði frá Princeton-háskóla.

Setti hugmyndina um hulduefni í eðlisfræðilegan búning

Það er ekki ofsagt að stakkaskipti hafi orðið á hugmyndum vísindamanna um þróun alheimsins frá þeim tíma sem Peebles hóf vísindastörf sín. Kári Helgason, stjarneðlisfræðingur, segir að á þeim tíma hafi ekki verið fyllilega vitað hvort alheimurinn væri endanlega eða óendanlega gamall. Lengi hafi svo ekki verið vitað hvort hann væri fimm milljarða eða tuttugu milljarða ára gamall. Nú sé aftur á móti deilt um hvort hann sé 13,6 eða 13,7 milljarða ára.

Jón Emil segir að eðlifræðingar nútímans lýsi alheiminum með almennu afstæðiskenningunni. Það efni sem menn geta séð í alheiminum dugar þó hvernig nærri til að skýra eðli og þróun alheimsins. Til þess þarf að gera ráð fyrir svonefndri hulduorku og efni sem saman mynda um 95% allrar orku alheimsins. Eins og nafnið gefur til kynna vita vísindamenn lítið um þessi fyrirbæri.

„Við hins vegar skiljum nokkurn veginn hvernig þau hefðu áhrif á þróun alheimsins. Alheimurinn hefur verið að þenjast út frá því að tíminn hófst. Útþenslan stjórnast meðal annars af hulduorku og efni. Við getum ekki útskýrt það sem við sjáum nema með því að innleiða þessi hugtök,“ segir Jón Emil.

Þrátt fyrir að hugmyndin um hulduefni hafi fyrst verið sett fram í kringum árið 1930 segir Jón Emil að fyrirbærin hulduefni og orka hafi svo gott sem sprottið fyrst fram í greinum Peebles frá sjöunda til níunda áratugarins.

„Peebles setti þetta í eðlisfræðilegan búning og sýndi hvernig þessi fyrirbæri hefðu áhrif á þróun alheimsins,“ segir hann.

Kári segir Peebles hafa lítið litið í sjónauka og ekki stundað athuganir. Hann hafi hins vegar lagt fræðilegan stærðfræðilegan grunn að heimsfræðinni. Þegar athuganir komu loks í hús hafi hann verið búinn að leggja grunninn sem vísindamenn gátu notað til að túlka það sem þeir sáu.

Engu að síður segir Jón Emil að Peebles sé auðmjúkur og viðurkenni fyrstur manna að núverandi þekkingu manna séu takmörk sett.

„Þó að hulduefni og hulduorka virki ágætlega í jöfnunum sem virðast lýsa þróun alheimsins þá vitum við ósköp lítið um þessi fyrirbæri,“ segir hann.

Misstu af stóru uppgötvuninni fyrir tilviljun

Tilviljun ein réði því að Peebles og félagar hans við Princeton fengu ekki Nóbelsverðlaun fyrir að verða fyrstir til að uppgötva örbylgjukliðinn svonefnda, daufa bakgrunnsgeislun sem er leifar frá Miklahvelli, á 7. áratugnum. Þeir höfðu kenningu um kliðinn og voru í óða önn við að koma sér upp tækjabúnaði til að mæla hann beint.

Á sama tíma voru þeir Arno Penzias og Robert Wilson, tveir stjörnufræðingar í nágrenni Princeton, að reyna að gera allt annars konar athuganir með útvarpssjónauka. Þeim tókst hins vegar ekki að losna við þrálátt suð í mælingum sínum og reyndu þeir þó allt, þar á meðal að skrúbba dúfnaskít af sjónaukanum.

Jón Emil segir að Penzias og Wilson hafi hringt í alla sem þeir gátu til að fá aðstoð til að losna við suðið.

„Þar á meðal i Princeton sem benti þeim á hvað þeir voru búnir að mæla,“ segir hann.

Suðið sem þeir Penzias og Wilson losnuðu ekki við var í reynd örbylgjukliðurinn sem Peebles og félagar voru á höttunum eftir. Fyrir uppgötvunina fengu Penzias og Wilson Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1964, þrátt fyrir að þeir hefðu takmarkaðan skilning á fyrirbærinu, að sögn Kára Helgasonar.

Peebles er eini eftirlifandi fræðimaðurinn úr hópnum frá Princeton sem fær nú að vissu leyti uppreist æru með Nóbelsverðlaunum rúmri hálfri öld síðar.

Greip Peebles á ganginum eftir forföll

Jón Emil ber Peebles söguna vel frá Princeton þar sem Nóbelsverðlaunahafinn mætir í vinnuna á hverjum degi þrátt fyrir að vera orðinn prófessor emirítus.

„Hann er ótrúlega ljúfur og vinalegur karl sem er alltaf tilbúinn að spjalla og leiðbeina,“ segir Jón Emil.

Sem dæmi um það hljóp Peebles í skarðið þegar einn þeirra sem áttu að sitja í doktosnefnd þegar Jón Emil varði doktorsverkefni sitt forfallaðist árið 2014.

„Hann hoppaði inn í doktorvörnina mína þegar mér var tilkynnt með nokkurra klukkustunda fyrirvara að einn af prófdómurunum væri kominn með lungnabólgu. Ég greip hann svo að segja á hlaupum á ganginum,“ segir Jón Emil.

Opnaði virkustu undirgrein stjörnufræðinnar

Svissnesku stjörnufræðingarnir Michel Mayor og Didier Queloz deila Nóbelsverðlaunum með Peebles í ár fyrir uppgötvun þeirra á fyrstu reikistjörnunni utan sólkerfisins okkar fyrir tæpum aldarfjórðungi.

Kári Helgason segir tvímenningana hafa skekið stjarnvísindaheiminn með uppgötvun sinni árið 1995. Þrátt fyrir að öll líkön vísindamanna gæfu til kynna að reikistjörnu myndist í kringum sólstjörnur eins og í sólkerfinu okkar voru þeir fyrstir til að finna fjarreikistjörnu. Þeir hafi verið einhverjum vikum á undan hópi frá Harvard sem einnig leitað að fjarlægri reikistjörnu.

„Uppgötvunin opnaði nýtt svið vísinda sem í dag er ein virkasta og mest spennandi undirgrein stjörnufræðinnar,“ segir Kári.

Síðan þá hafa vísindamenn fundið á fimmta þúsund fjarreikistjarna í fjölbreyttum sólkerfum. Kári segir að út frá þeim athugunum sé hægt að fullyrða að fleiri en færri stjörnur hafi reikistjörnur og að fjölbreytileiki sólkerfa sé mikill með tilliti til stærðar, fjölda og sportbrauta reikistjarnanna.

„Miðað við að Vetrarbrautin okkar inniheldur um 200 til 400 milljarða stjarna þá er erfitt að halda því fram að hvergi hafi kviknað líf annars staðar en á jörðinni. Líkurnar eru að minnsta kosti góðar,“ segir Kári.

Mældu örlítið vagg móðurstjörnunnar

Flestar þeirra fjarreikistjarna sem eru nú þekktar fundust með svonefndri þvergönguaðferð. Hún byggist á að láta sjónauka skima hluta næturhiminsins og leita síðan að örlitlum reglulegum breytingum í birtustigi stjarna sem verður þegar reikistjörnur ganga á milli þeirra og jarðarinnar.

Aðferðin sem Mayor og Queloz notuðu til að finna fjarreikistjörnuna Pegasi 51b nefnist aftur á móti Doppler-aðferðin. Hún byggist á nákvæmri litrófsgreiningu á birtu stjarna til að mæla hlutfallslega örlitla hreyfingu þeirra. Reikistjörnur á braut um stjörnur toga í þær með þyngdarkrafti sínum og valda því að stjörnurnar vagga örlítið. Þetta vagg sem kemur fram í litrófsgreiningu sem lotubundin breyting á lit ljóssins frá stjörnunni er vísbending um að þar leynist ein eða fleiri reikistjörnur.

Kári segir að vagg af þessu tagi sé ofboðslega lítið þar sem massalítil reikistjarna hafi lítil áhrif á massamikla stjörnu. Hreyfingin geti numið ef til vill tuttugu metrum á sekúndu. Það sé smávægilegt á stjarnfræðilegan mælikvarða þar sem mælingar eru yfirleitt í kílómetrum á sekúndu.

Því kemur ekki á óvart að Pegasi 51b sem Mayor og Queloz fundu var stór gasrisi á þéttri braut um móðurstjörnu sína. Reikistjarnan fer heilan hring um stjörnuna á aðeins 4,23 jarðneskum dögum. Reikistjörnur af þessu tagi hafa verið nefndir „heitir Júpíterar“, gasrisar þar sem hiti er hár vegna nálægðar við móðurstjörnu.

„Þetta var sú tegund fjarreikistjarna sem uppgötvaðist fyrst, einfaldlega vegna þess að stærð þeirra og umferðartími gerir þær auðveld skotmörk fyrir reikistjörnuveiðimenn,“ segir Kári.