Zahlavi

Nobelovu cenu získali vědci za příspěvek k poznání evoluce vesmíru a našeho místa v něm

09. 10. 2019

Kanadsko-americký fyzik a kosmolog James Peebles a švýcarští vědci Michel Mayor a Didier Queloz jsou novými nositeli Nobelovy ceny za fyziku. Královská švédská akademie věd ocenila jejich přínos k pochopení vývoje a struktury vesmíru od velkého třesku po dnešek a objev první exoplanety obíhající kolem hvězdy podobné Slunci. Výzkumu exoplanet se věnují i vědci v Akademii věd ČR.

Jednu polovinu ceny si odnáší James Peebles za objevy, které podle prohlášení Královské švédské akademie věd položily základy současného pojetí vesmíru a přispěly k přeměně kosmologie z pouhých spekulací ve vědu postavenou na vědecky podložených poznatcích. Nový laureát nejvyššího vědeckého ocenění se zasloužil o vypracování teorie velkého třesku, která popisuje počátek vesmíru, a má zásadní podíl i na poznávání jeho dalšího vývoje a procesů v něm.

Vesmír byl ve svém počátku vyplněn hustým a horkým plazmatem, postupně se však ochlazoval a zhruba 380 tisíc let po velkém třesku vznikly stabilní atomy vodíku a helia a vesmír zprůhledněl pro elektromagnetické záření – světlo (fotony) se oddělilo od látky. Pozůstatkem tohoto vývoje je tzv. reliktní záření nebo také mikrovlnné záření kosmického pozadí, které dodnes prostupuje celý vesmír a bývá též označováno jako „ozvěna velkého třesku“. Jeho vlnová délka se postupně víc a víc prodlužovala a záření chladlo až na současných přibližně –271 °C, tedy pouhé necelé tři stupně nad absolutní nulou. Stále však poskytuje vědcům informace o dění v nejranějších fázích vývoje vesmíru, od nepatrného zlomku první sekundy po velkém třesku až do oněch asi 380 tisíc let po něm. Není zcela rovnoměrné, ale vyskytují se v něm nevelké fluktuace, z nichž se nicméně dá vysledovat mnoho kosmologických parametrů.

James Peebles stál v čele výzkumů hledajících vysvětlení tohoto záření pocházejícího z raných fází vývoje vesmíru. Pomocí svých vlastních teoretických nástrojů a výpočtů dokázal interpretovat stopy dějů v něm zachycených a objevil nové fyzikální procesy. Uvědomil si například, že teplota reliktního záření by mohla prozradit, kolik vzniklo ve velkém třesku hmoty, a že jeho uvolnění hrálo rozhodující roli ve způsobu, jakým se hmota později shlukovala, aby vytvořila galaxie a galaktické kupy.

Vesmír známý a neznámý
Výsledky jeho dalších bádání vedly mimo jiné k tomu, že v současnosti známe pouhých asi 5 % hmoty ve vesmíru – tu, která tvoří hvězdy, planety i nás, lidi. Zbývajících dosud nepoznaných 95 % tvoří tzv. temná (nebo též skrytá) hmota – nebo lépe látka – a temná (skrytá) energie. Obě jsou zatím záhadou – asi největší z těch, před nimiž současná kosmologie stojí.

O druhou polovinu letošní Nobelovy ceny za fyziku se dělí Michel Mayor a Didier Queloz. Přinesli odpověď na otázku, která dlouho vyvolávala zvědavost nejen vědců: mohou být ve vesmíru, mimo naši vlastní sluneční soustavu, planety obíhající kolem jiných hvězd podobných našemu Slunci? V říjnu 1995 šokovali oznámením, že první takovouto exoplanetu skutečně nalezli. A jejich objev vedl k revoluci v astronomii, konstatovala Královská švédská akademie věd.

Jimi objevená exoplaneta obíhá kolem hvězdy 51 Pegasi v naší Galaxii, 50 světelných let od Země. Svou mateřskou hvězdu oběhne velice rychle, za pouhé čtyři dny, a je k ní též velice blízko, v průměru pouhých 8 milionů kilometrů. Proto je velmi horká – hvězda ji ohřeje na více než 1000 °C. A co bylo zvlášť překvapivé – je to plynný obr srovnatelný velikostí s největší planetou sluneční soustavy – Jupiterem.

Ovšem podle tehdejších hypotéz o vzniku planetárních soustav měly takto obří planety vznikat pouze ve velkých vzdálenostech od své hvězdy, a mít tudíž dlouhou dobu oběhu (Jupiteru trvá oběhnout Slunce bezmála 12 let). Proto se také v té době astronomové pátrající po exoplanetách snažili snímkovat co největší počet hvězd, měli nicméně za to, že stačí každou z nich sledovat ve větších časových intervalech, obvykle měsíce až dvou. To by při delších oběžných dobách planet samozřejmě stačilo.

Michel Mayor a Didier Queloz však opustili tento obecně přijímaný předpoklad (což je ve vědě tak často základním krokem k opravdovému průlomu) a zvolili jinou strategii pozorování: každou jasnou noc nabírali spektra stejných hvězd slunečního typu. Tento neobvyklý postup brzy přinesl ovoce – první exoplaneta byla nalezena! Nejprve se tomu široká astronomická obec zdráhala uvěřit – data objevitelů však byla přesvědčivá. A dosavadní hypotézy se začaly přepracovávat…

Exoplanety různých typů
Od té doby bylo už objeveno na 4000 exoplanet nejrůznějších typů – nejprve šlo o tělesa podobná první objevené exoplanetě – začalo se jim říkat horké Jupitery. Většinou jsou velmi hmotné a často obíhají kolem své hvězdy (nebo dokonce i dvojhvězd!) po velice protáhlé dráze. Posléze se začaly nacházet i exoplanety složené z hornin a konečně se ukázala i první planetární tělesa v tzv. obyvatelné zóně, na jejichž povrchu může být kapalná voda. Rozmanitost podob jednotlivých exoplanet i cizích planetárních systémů, tolik odlišných od naší sluneční soustavy, přiměly vědce zcela přehodnotit dosavadní názory na vznik planet a jejich soustav u jiných hvězd.



Kolik nových světů už známe? Ve video-seriálu Akademie věd ČR odpovídá „lovec exoplanet“ Petr Kabáth z Astronomického ústavu AV ČR.


V současnosti už bylo sice několik exoplanet pozorováno přímo, většinou však astronomové mohou poznat jejich přítomnost pouze nepřímými metodami. Dají se hledat na základě tzv. tranzitů, kdy se sledují změny jasu hvězdy. Když totiž planeta přechází – z našeho zorného pole – před kotoučem hvězdy, poněkud ji zastíní, takže jas hvězdy, kterou sledujeme, slabě poklesne.

Dále se exoplanety odhalují podle jejich gravitačního působení na mateřskou hvězdu. Pokud má hvězda planetu, obíhají obě kolem společného těžiště. Z našeho pohledu se pak zdá, že se hvězda nepatrně periodicky pohybuje směrem k nám a zase od nás – což se dá zjistit ze spektrálních čar na základě tzv. Dopplerova posunu. Pokud se objekt vzdaluje, vlnová délka světla se zvětší (červený posuv), jakmile se přibližuje, vlnová délka se zmenší (modrý posuv). Právě tohoto způsobu využili Michel Mayor a Didier Queloz – museli si však nejprve vyvinout dostatečně citlivé postupy a zařízení schopná taková měření vůbec provést. Zkonstruovali ve své době nejpřesnější spektrograf, díky němuž byly chyby v jejich měření tak malé, že jim v tomto ohledu nikdo nedokázal konkurovat. Pozorované efekty jsou totiž natolik nepatrné, že už samo jejich změření znamená nesmírný úspěch. Takový, že badatelům nakonec přinesl Nobelovu cenu za fyziku.

Královská švédská akademie věd při jejím vyhlašování uvedla: „Letošní laureáti změnili naše pojetí vesmíru. Zatímco teoretické objevy Jamese Peeblese přispěly k pochopení, jak se vesmír po velkém třesku vyvíjel, Michel Mayor a Didier Queloz při lovu neznámých planet zkoumali naše kosmické sousedství. Jejich objevy jednou provždy změnily naše představy o světě.“

O přelomové práci Michela Mayora a Didiera Queloze jsme se zmínili také v článku Nová Země na obzoru v časopise A / Věda a výzkum. V článku se dočtete, pomocí jakých metod hledají exoplanety čeští vědci v týmu Petra Kabátha z Astronomického ústavu AV ČR.




Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Nobelprize.org