Premio Nobel per la fisica assegnato a 3 scienziati per il loro contributo alla comprensione dell’evoluzione dell’universo
La Royal Swedish Academy of Sciences ha deciso di assegnare il premio Nobel per la fisica 2019
“per contributi alla nostra comprensione dell’evoluzione dell’universo e del posto della Terra nel cosmo”
con la metà a
James Peebles
Princeton University, USA
“per scoperte teoriche nella cosmologia fisica”
e l’altra metà insieme a
Michel Mayor
University of Geneva, Svizzera
e
Didier Queloz
Università di Ginevra, Svizzera
Università di Cambridge, Regno Unito
“per la scoperta di un esopianeta in orbita attorno a una stella di tipo solare”
Nuove prospettive sul nostro posto nell’universo
Il premio Nobel per la fisica di quest’anno premia la nuova comprensione della struttura e della storia dell’universo e la prima scoperta di un pianeta in orbita attorno a una stella di tipo solare al di fuori del nostro sistema solare.
Le intuizioni di James Peebles sulla cosmologia fisica hanno arricchito l’intero campo della ricerca e gettato le basi per la trasformazione della cosmologia negli ultimi cinquant’anni, dalla speculazione alla scienza. La sua struttura teorica , sviluppata dalla metà degli anni ’60, è la base delle nostre idee contemporanee sull’universo.
Il modello Big Bang descrive l’universo sin dai suoi primissimi momenti, quasi 14 miliardi di anni fa, quando era estremamente caldo e denso. Da allora, l’universo si è espanso, diventando più grande e più freddo. Appena 400.000 anni dopo il Big Bang, l’universo divenne trasparente e i raggi di luce furono in grado di viaggiare attraverso lo spazio. Ancora oggi, questa antica radiazione ci circonda e, codificata in essa, molti dei segreti dell’universo si nascondono. Usando i suoi strumenti e calcoli teorici, James Peebles è stato in grado di interpretare queste tracce dall’infanzia dell’universo e scoprire nuovi processi fisici.
I risultati ci hanno mostrato un universo in cui è noto solo il cinque percento del suo contenuto, la materia che costituisce stelle, pianeti, alberi e noi. Il resto, il 95%, è sconosciuto materia oscura ed energia oscura. Questo è un mistero e una sfida per la fisica moderna.
Nell’ottobre 1995, Michel Mayor e Didier Queloz hanno annunciato la prima scoperta di un pianeta al di fuori del nostro sistema solare, un esopianeta, in orbita attorno a una stella di tipo solare nella nostra galassia, la Via Lattea. All’Osservatorio dell’Alta Provenza nel sud della Francia, usando strumenti su misura, sono stati in grado di vedere il pianeta 51 Pegasi b, una palla gassosa paragonabile al più grande gigante gassoso del sistema solare, Giove.
Questa scoperta ha iniziato una rivoluzione in astronomia e da allora sono stati trovati oltre 4.000 esopianeti nella Via Lattea. Strani nuovi mondi vengono ancora scoperti, con un’incredibile ricchezza di dimensioni, forme e orbite. Sfidano le nostre idee preconcette sui sistemi planetari e stanno costringendo gli scienziati a rivedere le loro teorie sui processi fisici dietro le origini dei pianeti. Con numerosi progetti in programma di iniziare a cercare esopianeti, potremmo eventualmente trovare una risposta all’eterna domanda se c’è altra vita là fuori.
I vincitori di quest’anno hanno trasformato le nostre idee sul cosmo. Mentre le scoperte teoriche di James Peebles hanno contribuito alla nostra comprensione di come si è evoluto l’ universo dopo il Big Bang, Michel Mayor e Didier Queloz hanno esplorato i nostri quartieri cosmici alla ricerca di pianeti sconosciuti. Le loro scoperte hanno cambiato per sempre le nostre concezioni del mondo.
Background scientifico popolare
Nuove prospettive sul nostro posto nell’universo
Il premio Nobel per la fisica 2019 premia la nuova comprensione della struttura e della storia dell’universo e la prima scoperta di un pianeta in orbita attorno a una stella di tipo solare al di fuori del nostro sistema solare. I vincitori di quest’anno hanno contribuito a rispondere alle domande fondamentali sulla nostra esistenza. Cosa è successo nella prima infanzia dell’universo e cosa è successo dopo? Potrebbero esserci altri pianeti là fuori, in orbita attorno ad altri soli?
James Peebles ha assunto il cosmo, con i suoi miliardi di galassie e ammassi di galassie. Il suo quadro teorico, che ha sviluppato in due decenni, a partire dalla metà degli anni ’60, è il fondamento della nostra moderna comprensione della storia dell’universo, dal Big Bang ai giorni nostri. Le scoperte di Peebles hanno portato a intuizioni sul nostro ambiente cosmico, in cui la materia nota comprende solo il cinque per cento di tutta la materia e l’energia contenute nell’universo. Il restante 95% è nascosto a noi. Questo è un mistero e una sfida per la fisica moderna.
Michel Mayor e Didier Queloz hanno esplorato la nostra galassia, la Via Lattea, alla ricerca di mondi sconosciuti. Nel 1995, hanno fatto la prima scoperta di un pianeta al di fuori del nostro sistema solare, un esopianeta, in orbita attorno a una stella di tipo solare. La loro scoperta ha sfidato le nostre idee su questi strani mondi e ha portato a una rivoluzione in astronomia. Gli oltre 4.000 esopianeti conosciuti sono sorprendenti nella loro ricchezza di forme, poiché la maggior parte di questi sistemi planetari non assomigliano per niente ai nostri, con il Sole e i suoi pianeti. Queste scoperte hanno portato i ricercatori a sviluppare nuove teorie sui processi fisici responsabili della nascita dei pianeti.
Inizia la cosmologia del Big Bang
Gli ultimi cinque decenni sono stati un periodo d’oro per la cosmologia, lo studio dell’origine e dell’evoluzione dell’universo. Negli anni ’60 furono poste le basi per spostare la cosmologia dalla speculazione alla scienza. La persona chiave in questa transizione è stata James Peebles, le cui scoperte decisive hanno messo saldamente la cosmologia sulla mappa scientifica, arricchendo l’intero campo della ricerca. Il suo primo libro, Physical Cosmology (1971), ha ispirato un’intera nuova generazione di fisici a contribuire allo sviluppo del soggetto, non solo attraverso considerazioni teoriche ma con osservazioni e misurazioni. La scienza e nient’altro risponderebbe alle eterne domande su da dove veniamo e dove stiamo andando; la cosmologia fu liberata da concetti umani come la fede e il significato. Questo fa eco alle parole di Albert Einstein dei primi del secolo scorso,
La storia dell’universo, una narrazione scientifica dell’evoluzione del cosmo, è conosciuta solo negli ultimi cento anni. Prima di questo, l’universo era stato considerato stazionario ed eterno, ma negli anni ’20 gli astronomi scoprirono che tutte le galassie si stavano allontanando l’una dall’altra e da noi. L’universo sta crescendo. Ora sappiamo che l’universo di oggi è diverso da quello di ieri e che sarà diverso domani.
Ciò che gli astronomi videro nei cieli era già stato predetto dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein dal 1916, quella che ora è la base di tutti i calcoli su larga scala sull’universo. Quando Einstein ha scoperto che la teoria ha portato alla conclusione che lo spazio si sta espandendo, ha aggiunto una costante alle sue equazioni (la costante cosmologica) che controbilancerebbe gli effetti della gravità e renderebbe fermo l’universo. Oltre un decennio più tardi, una volta osservata l’espansione dell’universo, questa costante non era più necessaria. Einstein lo considerava il più grande errore della sua vita. Non sapeva che la costante cosmologica avrebbe fatto un magnifico ritorno alla cosmologia negli anni ’80, anche grazie al contributo di James Peebles.
I primi raggi dell’universo rivelano tutto
L’espansione dell’universo significa che una volta era molto più denso e più caldo. A metà del XX secolo, la sua nascita fu chiamata Big Bang. Nessuno sa cosa sia realmente accaduto all’inizio, ma l’universo primordiale era pieno di una zuppa di particelle compatta, calda e opaca in cui particelle di luce, fotoni, rimbalzavano intorno.
Ci sono voluti quasi 400.000 anni per l’espansione per raffreddare questa zuppa primordiale a qualche migliaio di gradi Celsius. Le particelle originali erano in grado di combinarsi, formando un gas trasparente che consisteva principalmente di atomi di idrogeno ed elio. I fotoni ora cominciavano a muoversi liberamente e la luce era in grado di viaggiare attraverso lo spazio. Questi primi raggi riempiono ancora il cosmo. L’espansione dello spazio ha allungato le onde luminose visibili in modo da finire nel raggio di microonde invisibili, con una lunghezza d’onda di pochi millimetri.
Il bagliore della nascita dell’universo fu catturato per la prima volta, nel 1964, da due radioastronomi americani: i premi Nobel del 1978 Arno Penzias e Robert Wilson. Non riuscirono a liberarsi del costante “rumore” che la loro antenna captava dappertutto nello spazio, quindi cercarono una spiegazione nel lavoro di altri ricercatori, tra cui James Peebles, che avevano fatto calcoli teorici di questa radiazione di fondo onnipresente. Dopo quasi 14 miliardi di anni, la sua temperatura è scesa quasi allo zero assoluto (-273 ° C). La grande svolta venne quando Peebles si rese conto che la temperatura della radiazione poteva fornire informazioni sulla quantità di materia creata nel Big Bang,
La scoperta della radiazione a microonde ha inaugurato la nuova era della cosmologia moderna. Le antiche radiazioni dell’infanzia dell’universo sono diventate una miniera d’oro che contiene le risposte a quasi tutto ciò che i cosmologi vogliono sapere. Quanti anni ha l’universo? Qual è il suo destino? Quanta materia ed energia esistono?
Gli scienziati possono trovare tracce dei primissimi momenti dell’universo in questo freddo bagliore, minuscole variazioni che si propagano come onde sonore attraverso quella prima zuppa primordiale. Senza queste piccole variazioni, il cosmo si sarebbe raffreddato da una calda sfera di fuoco a un vuoto freddo e uniforme. Sappiamo che ciò non è accaduto, che lo spazio è pieno di galassie, spesso raccolte in ammassi di galassie. La radiazione di fondo è liscia allo stesso modo in cui la superficie dell’oceano è liscia; le onde sono visibili da vicino, increspature che rivelano le variazioni nell’universo primordiale.
Di volta in volta, James Peebles ha guidato l’interpretazione di queste tracce fossili fin dalle prime epoche dell’universo. Con sorprendente precisione, i cosmologi sono stati in grado di prevedere le variazioni della radiazione di fondo e mostrare come influenzano la materia e l’energia nell’universo.
La prima grande svolta osservativa avvenne nell’aprile del 1992, quando i principali investigatori del progetto satellitare americano COBE presentarono un’immagine dei primi raggi di luce nell’universo (Premio Nobel per la fisica 2006 a John Mather e George Smoot). Altri satelliti, il WMAP americano e il Planck europeo, hanno gradualmente perfezionato questo ritratto del giovane universo. Esattamente come previsto, la temperatura altrimenti uniforme della radiazione di fondo variava di centomilionesimo di grado. Con crescente precisione, i calcoli teorici della materia e dell’energia contenuti nell’universo sono stati confermati, con la maggior parte di esso, il 95%, invisibile a noi.
Materia oscura ed energia oscura: i più grandi misteri della cosmologia
Dagli anni ’30, sappiamo che tutto ciò che possiamo vedere non è tutto quello che c’è. Le misurazioni della velocità di rotazione delle galassie indicavano che dovevano essere tenute insieme per gravità dalla materia invisibile, altrimenti sarebbero state distrutte. Si pensava anche che questa materia oscura avesse un ruolo importante nell’origine delle galassie, molto prima che la zuppa primordiale allentasse la presa sui fotoni.
La composizione della materia oscura rimane uno dei più grandi misteri della cosmologia. Gli scienziati credevano da tempo che i neutrini già noti potessero costituire questa materia oscura, ma i numeri inimmaginabili di neutrini a bassa massa che attraversano lo spazio quasi alla velocità della luce sono troppo veloci per aiutare a tenere insieme la materia. Invece, nel 1982, Peebles propose che particelle pesanti e lente di materia oscura fredda potessero fare il lavoro. Stiamo ancora cercando queste particelle sconosciute di materia oscura fredda, che evitano di interagire con la materia già nota e comprendono il 26% del cosmo.
Secondo la teoria generale della relatività di Einstein, la geometria dello spazio è interconnessa con la gravità: più massa ed energia contiene l’universo, più lo spazio diventa curvo. Ad un valore critico di massa ed energia, l’universo non si curva. Questo tipo di universo, in cui due linee parallele non si incrociano mai, viene di solito chiamato piatto. Altre due opzioni sono un universo con troppa poca materia, che porta a un universo aperto in cui le linee parallele alla fine divergono, o un universo chiuso con troppa materia, in cui le linee parallele alla fine si incrociano.
Le misurazioni della radiazione cosmica di fondo, così come le considerazioni teoriche, hanno fornito una risposta chiara: l’universo è piatto. Tuttavia, la materia che contiene è sufficiente solo per il 31% del valore critico, di cui il 5% è materia ordinaria e il 26% è materia oscura. La maggior parte, il 69%, mancava. James Peebles ancora una volta ha fornito una soluzione radicale. Nel 1984, ha contribuito a far rivivere la costante cosmologica di Einstein, che è l’energia dello spazio vuoto. Questo è stato chiamato energia oscura e riempie il 69% del cosmo. Insieme alla fredda materia oscura e alla materia ordinaria, è sufficiente sostenere l’idea di un universo piatto.
L’energia oscura è rimasta solo una teoria per 14 anni, fino a quando l’espansione accelerata dell’universo è stata scoperta nel 1998 (Premio Nobel per la fisica 2011 a Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess). Qualcosa di diverso dalla materia deve essere responsabile della sempre più rapida espansione, un’energia oscura sconosciuta la sta spingendo. All’improvviso, questo addendum teorico divenne una realtà che poteva essere osservata nei cieli.
Sia la materia oscura che l’energia oscura sono ora tra i più grandi misteri della cosmologia. Si manifestano solo attraverso l’impatto che hanno sull’ambiente circostante: uno tira, l’altro spinge. Altrimenti, non si sa molto su di loro. Quali segreti sono nascosti in questo lato oscuro dell’universo? Quale nuova fisica è nascosta dietro l’ignoto? Cos’altro scopriremo nei nostri tentativi di risolvere i misteri dello spazio?
Il primo pianeta in orbita attorno a un altro sole
La maggior parte dei cosmologi ora concorda sul fatto che il modello del Big Bang sia una vera storia sull’origine e lo sviluppo del cosmo, nonostante sia noto solo il 5% della sua materia ed energia. Questa piccola fetta di materia alla fine si raggruppò per creare tutto ciò che vediamo intorno a noi: stelle, pianeti, alberi e fiori e anche umani. Siamo soli a guardare il cosmo? C’è vita altrove nello spazio, su un pianeta in orbita attorno a un altro sole? Nessuno sa. Ma ora sappiamo che il nostro Sole non è il solo ad avere pianeti e che la maggior parte delle diverse centinaia di miliardi di stelle nella Via Lattea dovrebbero avere anche pianeti di accompagnamento. Gli astronomi ora conoscono più di 4.000 pianeti extrasolari. Sono stati scoperti strani nuovi mondi, niente come il nostro sistema planetario. Il primo era così particolare che quasi nessuno credeva che fosse vero;
Michel Mayor e Didier Queloz hanno annunciato la loro sensazionale scoperta in una conferenza di astronomia a Firenze, in Italia, il 6 ottobre 1995. È stato il primo pianeta a essere in orbita attorno a una stella di tipo solare. Il pianeta, 51 Pegasi b, si muove rapidamente attorno alla sua stella, 51 Pegasi, che si trova a 50 anni luce dalla Terra. Ci vogliono quattro giorni per completare la sua orbita, il che significa che il suo percorso è vicino alla stella, a soli otto milioni di chilometri da essa. La stella riscalda il pianeta a più di 1.000 ° C. Le cose sono considerevolmente più calme sulla Terra, che ha un’orbita di un anno attorno al Sole ad una distanza di 150 milioni di chilometri.
Anche il pianeta appena scoperto si è rivelato sorprendentemente grande, una palla gassosa paragonabile al più grande gigante gassoso del sistema solare, Giove. Rispetto alla Terra, il volume di Giove è 1.300 volte maggiore e pesa 300 volte di più. Secondo le idee precedenti su come si formano i sistemi planetari, i pianeti delle dimensioni di Giove avrebbero dovuto essere creati lontano dalle loro stelle ospiti e, di conseguenza, impiegare molto tempo per orbitarli. Giove impiega quasi 12 anni per completare un circuito del Sole, quindi il breve periodo orbitale di Pegasi b è stata una sorpresa completa per i cacciatori di pianeti extrasolari. Stavano guardando nel posto sbagliato.
Quasi immediatamente dopo questa rivelazione, due astronomi americani, Paul Butler e Geoffrey Marcy, girarono il telescopio verso la stella 51 Pegasi e furono presto in grado di confermare la scoperta rivoluzionaria di Mayor e di Queloz. Pochi mesi dopo hanno trovato due nuovi esopianeti in orbita attorno a stelle di tipo solare. I loro brevi periodi orbitali erano utili agli astronomi che non avevano bisogno di aspettare mesi o anni per vedere un esopianeta in orbita attorno al suo sole. Ora avevano il tempo di guardare i pianeti fare un giro dopo l’altro.
Come si erano avvicinati così tanto alla stella? La domanda ha messo in discussione l’attuale teoria delle origini planetarie e ha portato a nuove teorie che descrivono come grandi sfere di gas sono state create ai bordi dei loro sistemi solari, quindi si sono spinte verso l’interno verso la stella ospite.
Metodi raffinati hanno portato alla scoperta
Sono necessari metodi sofisticati per rintracciare un esopianeta: i pianeti non si illuminano da soli, riflettono semplicemente la luce delle stelle in modo così debole che il loro splendore viene soffocato dalla luce intensa della stella ospite. Il metodo utilizzato dai gruppi di ricerca per trovare un pianeta è chiamato metodo della velocità radiale; misura il movimento della stella ospite in quanto è influenzato dalla gravità del suo pianeta. Mentre il pianeta orbita attorno alla sua stella, anche la stella si muove leggermente – entrambi si muovono attorno al loro centro di gravità comune. Dal punto di osservazione sulla Terra, la stella oscilla avanti e indietro lungo la linea di vista.
La velocità di questo movimento, la velocità radiale, può essere misurata usando il noto effetto Doppler: i raggi di luce di un oggetto che si muove verso di noi sono più blu e, se l’oggetto si sta allontanando da noi, i raggi sono più rossi. Questo è lo stesso effetto che sentiamo quando il suono di un’ambulanza aumenta di tono quando si sposta verso di noi e diminuisce di tono quando l’ambulanza è passata.
L’effetto del pianeta cambia così alternativamente il colore della luce della stella verso il blu o il rosso; sono queste alterazioni nella lunghezza d’onda della luce che gli astronomi catturano con i loro strumenti. I cambiamenti di colore possono essere determinati con precisione misurando le lunghezze d’onda della luce della stella, fornendo una misura diretta della sua velocità nella linea di vista.
La più grande sfida è che le velocità radiali sono estremamente basse. Ad esempio, la gravità di Giove fa muovere il Sole a circa 12 m / s attorno al baricentro del sistema solare. La Terra contribuisce a soli 0,09 m / s, il che pone esigenze straordinarie sulla sensibilità dell’attrezzatura se si vogliono scoprire pianeti simili alla Terra. Per aumentare la precisione, gli astronomi misurano diverse migliaia di lunghezze d’onda contemporaneamente. La luce è divisa nelle varie lunghezze d’onda usando uno spettrografo, che è al centro di queste misurazioni.
All’inizio degli anni ’90, quando Didier Queloz iniziò la sua carriera di ricercatore all’Università di Ginevra, Michel Mayor aveva già trascorso molti anni a studiare il movimento delle stelle, costruendo i propri strumenti di misura con l’aiuto di altri ricercatori. Nel 1977, Mayor fu in grado di montare il suo primo spettrografo su un telescopio all’Osservatorio dell’Alta Provenza, a 100 km a nord-est di Marsiglia. Ciò consentiva un limite inferiore di velocità intorno a 300 m / s, ma era ancora troppo alto per vedere un pianeta che tirava la sua stella.
Insieme al gruppo di ricerca, allo studente di dottorato Didier Queloz è stato chiesto di sviluppare nuovi metodi per misurazioni più precise. Hanno utilizzato numerose nuove tecnologie che hanno permesso di guardare rapidamente molte stelle e analizzare i risultati sul posto. Le fibre ottiche potrebbero portare la luce stellare allo spettrografo senza distorcerlo e migliori sensori di immagine digitali, CCD, aumentano la sensibilità alla luce della macchina (Premio Nobel per la fisica 2009 a Charles Kao, Willard Boyle e George Smith). Computer più potenti hanno permesso agli scienziati di sviluppare software su misura per l’elaborazione di immagini e dati digitali.
Quando il nuovo spettrografo fu terminato nella primavera del 1994, la velocità necessaria affondò a 10-15 m / se la prima scoperta di un esopianeta si stava avvicinando rapidamente. A quel tempo, la ricerca di esopianeti non faceva parte dell’astronomia tradizionale, ma Mayor e Queloz avevano deciso di annunciare la loro scoperta. Trascorsero diversi mesi a perfezionare i loro risultati e, nell’ottobre 1995, erano pronti a presentare il loro primo pianeta al mondo.
Viene rivelata una moltitudine di mondi
La prima scoperta di un esopianeta in orbita attorno a una stella di tipo solare iniziò una rivoluzione in astronomia. Migliaia di nuovi mondi sconosciuti sono stati rivelati. I nuovi sistemi planetari non vengono ora scoperti solo dai telescopi sulla Terra, ma anche dai satelliti. TESS, un telescopio spaziale americano, sta attualmente scansionando più di 200.000 delle stelle più vicine a noi, a caccia di pianeti simili alla Terra. In precedenza, il telescopio spaziale Kepler aveva portato ricchi premi, trovando più di 2.300 esopianeti.
Insieme alle variazioni della velocità radiale, la fotometria di transito viene ora utilizzata durante la ricerca di esopianeti. Questo metodo misura i cambiamenti nell’intensità della luce della stella quando un pianeta gli passa davanti, se ciò accade nella nostra visuale. La fotometria di transito consente inoltre agli astronomi di osservare l’atmosfera dell’esopianeta mentre la luce della stella la attraversa sulla strada verso la Terra. A volte è possibile utilizzare entrambi i metodi; la fotometria di transito fornisce le dimensioni dell’esopianeta, mentre la sua massa può essere determinata usando il metodo della velocità radiale. È quindi possibile calcolare la densità dell’esopianeta e quindi determinarne la struttura.
Gli esopianeti finora scoperti ci hanno sorpreso con una sorprendente varietà di forme, dimensioni e orbite. Hanno sfidato le nostre idee preconcette sui sistemi planetari e hanno costretto i ricercatori a rivedere le loro teorie sui processi fisici responsabili della nascita dei pianeti. Con numerosi progetti in programma di iniziare a cercare esopianeti, potremmo eventualmente trovare una risposta all’eterna domanda se c’è altra vita là fuori.
I vincitori di quest’anno hanno trasformato le nostre idee sul cosmo. Mentre le scoperte teoriche di James Peebles hanno contribuito alla nostra comprensione di come si è evoluto l’universo dopo il Big Bang, Michel Mayor e Didier Queloz hanno esplorato i nostri quartieri cosmici alla ricerca di pianeti sconosciuti. Le loro scoperte hanno cambiato per sempre le nostre concezioni del mondo.
