Sådan gik det til, dengang nobelprisvinderne opdagede en fjern klode og kosmisk baggrundsstråling

Konkurrencen om at komme først med en opdagelse er hård. Det ved modtagerne af Nobelprisen i fysik i 2019 alt om.

I år deles prisen mellem tre astronomer, nemlig James Peebles, Michel Mayor og Didier Queloz.

• Peebles har fået halvdelen af prisen på ni millioner svenske kroner for sit arbejde inden for kosmologi,
• Michel Mayor og Didier Queloz deler den anden halvdel af prisen for at have fundet den første exoplanet ved en sollignende stjerne.

Astronomerne har således arbejdet inden for forskellige områder af astronomien, men de har det til fælles, at de alle, lige fra begyndelsen af deres karrierer, direkte har mærket den hårde konkurrence.

Fra spekulation til videnskab

James Peebles er født i 1935 og er altså nu 84 år gammel. Han er uden overdrivelse en af de mest berømte astronomer inden for sit felt, kosmologien, der handler om universets opståen og udvikling.

Man kan sige, at prisen er givet for ’lifetime achievement’ og ikke for en enkelt stor opdagelse.

Nobelkomiteen har udtrykt det på denne måde:

»James Peebles har over de seneste 50 år skabt grundlaget for at forvandle kosmologien fra spekulation til videnskab. De ideer, han har udviklet siden 1960'erne, har dannet grundlaget for vores nuværende forståelse af universet.«

Peebles var endnu en ung mand i 1965, da en af de største opdagelser i den moderne astronomi blev gjort. To ingeniører, Penzias og Wilson, havde ved afprøvning af et radioteleskop fundet en svag radiostråling, som tilsyneladende fyldte hele universet.

Det tabte kapløb om Big Bang

Penzias og Wilson vidste ikke, hvad de havde fundet, men for at få en forklaring ringede Penzias til en forsker ved navn Bernard Burke fra MIT, Massachusetts Institute of Technology.

Burke kunne fortælle, at der var et forskerhold fra Princeton University, som havde forudsagt strålingen ud fra teorien om Big Bang. Lederen af dette hold var den berømte Robert Dicke, som havde sat en af sine unge studenter, nemlig James Peebles, til at foretage alle de nødvendige beregninger.

Beregningerne viste, at universet måtte være fyldt af en svag radiostråling, som stammede fra selve Big Bang. Denne stråling kaldes i dag for den kosmiske baggrundsstråling (se faktaboks). Dickes hold var først nu ved at konstruere en antenne som kunne måle strålingen.

Det blev nu hurtigt klart, at den stråling, som Penzias og Wilson havde fundet, måtte være den baggrundsstråling, som Peebles havde beregnet.

Det var ved den lejlighed, at Dicke udbrød: »We have been scooped.«

Det er et udtryk, som er lidt svært at oversætte, da 'scooped' har mange betydninger, men i denne sammenhæng betyder det noget i retning af ’der er nogen, som er kommet os i forkøbet'.

Det var naturligvis en enorm skuffelse både for Dicke og Peebles, især fordi Penzias og Wilson faktisk skulle have forklaret, hvad det var, de have opdaget. Men de kom nu alligevel til at dele Nobelprisen i fysik i 1978.

LÆS OGSÅ: Kosmisk baggrundsstråling påviste Big Bang. Men hvem kan tage æren for opdagelsen?

Fysikken bag Big Bang

Opmuntret af Dicke gik Peebles nu i gang med at se nøjere på fysikken bag Big Bang, og det førte til en meget dybere forståelse af vores univers. Da han har forsket inden for de fleste områder i kosmologien, nævner vi her bare et eksempel:

Lige efter Big Bang var universet en varm ildkugle af gas med en så stor tæthed, at lydbølger kunne eksistere.

I de første 380.000 år efter Big Bang har universet næsten virket som et orgel, hvor lydbølger af mange forskellige frekvenser har udbredt sig. Der har været en grundtone og overtoner – men det har ikke været lyde, som det menneskelige øre kunne opfatte.

Det var en kortvarig fase, for universet udvidede sig, og stoftætheden faldt derfor, indtil det ikke længere var muligt, at lydbølger kunne udbrede sig.

Samtidig blev universet gennemsigtigt, og baggrundsstrålingen blev skabt.

Lydbølger er trykbølger, og det betød, at da de sidste toner lød, så var gassen nogle steder mere sammenpresset end andre steder. Det satte sine spor i baggrundsstrålingen, som kom til at indeholde kolde og varme pletter, hvor temperaturen afviger med op til 200 mikrograder fra gennemsnittet.

Ofte vises baggrundsstrålingen som et plettet kort, hvor hver plet svarer til et område med afvigende temperatur. Nogle pletter er store, andre små.

Det, Peebles gjorde, var at tælle antallet af store og små pletter, og så bruge disse data til at beregne både universets geometri og hvor meget stof, det indeholder.

Således kunne han se, at universet er fladt, og han kom på sporet af det, vi i dag kalder mørkt stof.

I dag er analysen af baggrundsstrålingens varme og kolde pletter et centralt værktøj for kosmologien – og det var et område, som Peebles var med til at grundlægge. Han forskede også i, hvad det mørke stof betyder, både for universet som helhed og for dannelsen af de enkelte galakser.

Således kom Peebles til at spille en afgørende rolle i udviklingen af kosmologiens standardmodel, der antager eksistensen både af mørkt stof og mørk energi uden at beskrive den nøjagtige natur af begge substanser.

Men der er kommet kommentarer til Peebles pris.

Ingen er i tvivl om, at han mere end fortjener den, men kommentarerne går på en nu afdød kvindelig astronom ved navn Vera Rubin (1928-2016).

Vera Rubin har været banebrydende med at påvise eksistensen af mørkt stof ved observationer af stjerners bevægelse.

En stor del af Peebles forskning handler om mørkt stof, men set ud fra et teoretisk synspunkt.

Vera Rubins målinger har været mindst lige så vigtige for forståelsen af det mørke stof, og det kan nok undre, at Nobelkomiteen ikke har valgt at give hende prisen for flere år siden.

LÆS OGSÅ: Eksisterer mørkt stof overhovedet?

Den første exoplanet

De to astronomer Michel Mayor og Didier Queloz får hver en kvart Nobelpris for at være de første, som med sikkerhed har fundet en exoplanet.

Det skete i 1995, og allerede denne første opdagelse kom til at ændre vores teorier om, hvordan planetsystemer dannes.

Opdagelsen skete fra et observatorium i Frankrig, men observationerne blev foretaget af Mayor og Queloz, der begge er fra Schweiz. De havde også konstrueret det instrument, der blev anvendt.

Den største overraskelse var, at den nyopdagede planet var meget tæt på sin stjerne, der hedder 51 Pegasi. Omløbstiden var bare 4,2 døgn, og det betyder, at den har en bane mindre end 8 millioner kilometer fra sin stjerne, der er af nogenlunde samme type som Solen.

I vores solsystem er alle planeter langt fra Solen – selv Merkur har en afstand til Solen på godt 58 millioner km, hvilket er mere end syv gange afstanden mellem stjernen 51 Pegasi og dens planet.

Da man dengang gik ud fra, at andre planetsystemer mere eller mindre ville ligne vores solsystem, havde ingen drømt om, at der kunne findes en planet så tæt på sin stjerne.

Og endnu mere overraskende var det, at planeten er en stor gasplanet med en masse på mindst halvdelen af Jupiters masse. For i alle lærebøger stod der, at gasplaneter kun kunne dannes lagt fra stjernen, hvor temperaturen er lav.

Vi ved nu, at der er en enorm diversitet i den måde, planetsystemer er opbygget på – det er endda muligt, at et solsystem som vores er en sjældenhed. Exoplaneterne har således været med til at skabe en revolution i teorierne om, hvordan planetsystemer dannes.

I 1995 var jagten på exoplaneter så småt begyndt, og den store udfordring var at bygge instrumenter nøjagtige nok til at finde en exoplanet mange lysår borte. Da exoplaneter er næsten umulige at se, selv i store teleskoper, valgte man en anden teknik.

Udviklingen af spektografer

Vi har jo alle lært, at Jorden kredser om Solen. Det er nu ikke helt korrekt, for Jorden kredser om det fælles tyngdepunkt mellem Jorden og Solen. Da Solen er så meget større end Jorden, befinder dette tyngdepunkt sig et godt stykke inde i Solen.

Solen kredser også om dette tyngdepunkt, så Jorden får Solen til at beskrive en ganske lille cirkel omkring tyngdepunktet. Og det betyder, at Solen kommer til at bevæge sig på grund af tyngdekraften fra Jorden.

Det samme gælder for exoplaneter – de får også deres stjerner til at beskrive ganske små baner om det fælles tyngdepunkt. Resultatet er, at stjernerne skiftevis bevæger sig hen mod Jorden og bort fra Jorden med en periode, der helt svarer til exoplanetens omløbstid.

Denne bevægelse kan måles, fordi den påvirker lyset fra stjernen gennem den såkaldte Dopplereffekt:

• Stjerner udsender lys af mange forskellige bølgelængder, og observerer vi alle bølgelængderne, har vi stjernens spektrum.
• I spektret ses mange mørke spektrallinjer, som er de fingeraftryk, som de forskellige grundstoffer i atmosfæren afsætter.

På grund af Dopplereffekten bevæger disse mørke spektrallinjer sig lidt frem og tilbage i takt med, at planeten kredser omkring stjernen og derved skiftevis nærmer sig og fjerner sig fra Jorden. Der er tale om meget små forskydninger, som er svære at måle.

Målingerne foregår med instrumenter, der hedder spektrografer. Den store udfordring er at bygge spektrografer, som kan måle disse meget små forskydninger af spektrallinjerne, der viser sig som en blåforskydning og rødforskydning af lyset.

LÆS OGSÅ: Vi kender nu 4.000 exoplaneter, og de fleste fjerne kloder ligner slet ikke vores

Det bedste udstyr og det største held

Jagten på exoplaneter begyndte derfor med, at flere forskerhold søgte at udvikle spektrografer med den nødvendige præcision.

Mayor og Queloz var et af de hold, som prøvede at bygge nøjagtige spektrografer, men der var andre. Vi vil her kun nævne amerikanerne Marcy og Butler. Sagt kort, så havde Marcy og Butler det bedste instrument, og Mayor og Queloz det største held.

Det viste sig ved, at Marcy og Butler, da de hørte om fundet af 51 Pegasi b, hurtigt kunne bekræfte målingerne. Derefter fandt de på bare 2 år 10 nye planeter, mens Mayor og Queloz ikke fandt nogen.

Der skulle gå hele tre år, før det lykkedes for de to schweizere at finde en ny planet, men da havde Marcy og Butler for længst givet dem baghjul med hensyn til antallet af opdagelser.

En professor og hans elev

Michel Mayor er fra Schweitz, født i 1942 og altså nu 77 år gammel. Didier Queloz er også fra Schweitz, født i 1966 og dermed 53 år og den eneste af de tre modtagere, der stadig er aktiv.

Den ældre Mayor havde arbejdet med udviklingen af spektrografer i flere år, men den spektrograf, der blev anvendt ved opdagelsen, var konstrueret i samarbejde med hans Ph.D.-studerende Queloz.

I begyndelsen var det med denne teknik kun muligt at observere store og tunge planeter af Jupiter-størrelse, som kan påvirke deres stjerne tilstrækkelig meget. Nu er vi godt på vej til at kunne finde planeter af Jordens størrelse med denne metode.

Således var Mayor med til at udvikle den supernøjagtige HARPS spektrograf, der i 2007 gjorde det muligt for ham - sammen med 10 kolleger - at finde den første exoplanet i den beboelige zone omkring en planet. Det skete bare to år før, han trak sig tilbage efter en karriere, hvor han i årene 1998-2004 havde været direktør for observatoriet i Geneve.

Nye metoder til at observere exoplaneter

Queloz arbejder nu med en anden metode til at observere exoplaneter, nemlig ved at måle, hvordan de kan formørke deres stjerne. Det betyder, at han nu arbejder på forskellige satellitprojekter.

Man kan ikke komme bort fra, at i de allerførste år var det Marcy og Butler, som dominerede exoplanetforskningen, og de har da også været nævnt som mulige kandidater til Nobelprisen. Men så kom der anklager mod Marcy om krænkende opførsel over for studerende på universitetet.

Om disse anklager har haft nogen betydning, er ikke til at sige. Til gengæld står det fast, at det var Mayor og Queloz, der kom først, så deres Nobelpris er bestemt velfortjent.

LÆS OGSÅ: Fund af exoplanet og universets baggrundsstråling får Nobelprisen i fysik 2019

LÆS OGSÅ: Astronom: Sådan har vi for første gang fundet vand på en måske beboelig exoplanet

LÆS OGSÅ: Ingen gider læse Nobelpris-vinderes artikler