James Peebles kanadai-amerikai kozmológus, a díj egyik felének nyertese a kozmológia területén végzett áttörő munkájáért kapta az elismerést, míg Michel Mayor svájci asztrofizikus és Didier Queloz szintén svájci csillagász az első fősorozatbeli csillag körül keringő, Naprendszeren kívüli bolygó létezésének bizonyításáért kapta meg a díj másik felét.

Big Bang Theory

Az utóbbi öt évtized a kozmológia, vagyis a világegyetem eredete és evolúciója kutatásának vitathatatlan virágkora volt, az 1960-as években ugyanis olyan alapvető eredmények születtek, amelyek nyomán a kozmológia spekulatív teóriákból igazi tudománnyá fejlődhetett. Ennek az átalakulásnak az egyik kulcsszereplője volt James Peebles, akinek első könyve, az 1971-ben megjelent Physical Cosmology (Fizikai kozmológia), fizikusok generációit bátorította arra, hogy a kozmológia kutatásába vessék magukat, immár nemcsak elméleti okfejtésekkel, de megfigyelésekkel és mérésekkel is hozzájárulva az univerzum történetének felderítéséhez.

Az univerzumot egészen addig egy statikus, mindig is létező entitásnak tartották, amíg az 1920-as években a csillagászok fel nem fedezték, hogy a galaxisok távolodnak tőlünk és egymástól. A világegyetem tágulásának felismerése az első lépés volt annak belátása felé, hogy az univerzum folyamatosan változik, és a múltban egyáltalán nem úgy nézett ki, mint napjainkban.

A felfedezett tágulásból például logikusan következett, hogy a világegyetem egykor sokkal sűrűbb és forróbb lehetett, ami mg szintén az 1920-as években elvezetett az ősrobbanáselmélet megszületéséhez. Máig senki sem tudja, hogy pontosan hogyan is nézett ki a kezdet, de ezen teória szerint egykor a világegyetem összes anyaga egy nagyon pici térrészt kitöltő, rendkívül sűrű részecskelevesbe tömörödött össze, amely egyszer csak tágulni kezdett.

Ezt követően közel 400 ezer év telt el, mire ez az ősleves pár ezer Celsius-fokosra hűlt, és az eredeti részecskék nagyobb egységekké, hidrogén- és héliumatomokká kezdtek összeállni. Mivel ez a gázkeverék már a korábbi állapottal szemben átjárható volt a fotonok számára, a fény ettől az időponttól kezdve szabadon utazhatott az űrben. Ennek az első fénynek a hullámai pedig máig járják a kozmoszt, igaz, közben jelentősen átalakultak: a világegyetem tágulása a hullámhosszt is megnyújtotta, így mára az univerzum korai fénye mikrohullámok formájában észlelhető.

Az első fény

A világegyetem átlátszóvá válásának fényét egészen véletlenül fedezte fel 1964-ben két amerikai rádiócsillagász, Arno Penzias és Robert Wilson, akik 1978-ban vehették át a fizikai Nobel-díjat. A szakértők rádiótávcsövükkel figyelték volna az eget, de észleléseikbe folyamatosan bezavart valamiféle háttérzaj, amelyről rövidesen kiderült, hogy az égbolt minden irányát vizsgálva jelen van. A kutatók és kollégáik, köztük James Peebles, elkezdték felderíteni a rejtélyes háttérsugárzás eredetét.

Arra Peebles, aki az elméleti számításokat végezte a munka során, jött rá, hogy a sugárzás közel abszolút nulla fokos hőmérséklete alapján következtetni lehet arra, hogy mennyi anyag keletkezett az ősrobbanás során, illetve hogy ez a sugárzás arról is információkat szolgáltathat, illetve aktív szerepet játszott benne, hogy az anyag később hogyan kezdett galaxisokba és galaxishalmazokba összeállni.

A háttérsugázás ugyanis tele van apró részletekkel, hőmérsékleti varianciákkal, amelyek arról tanúskodnak, hogy már a kezdeti, rendkívül sűrű ősleves sem volt homogén közeg. Ezek nélkül a varianciák nélkül a kozmosz egy forró gömbből szintén homogén, hideg, egyre ritkábbá váló gázfelhővé változott volna, a kiinduló anyagban létrejövő lokális sűrűsödések és ritkulások azonban idővel lehetővé tették a galaxisok születését. Peebles munkássága során oroszlánrészt vállalt ezen varianciák értelmezésében, amelyek révén a kozmológusok elképesztő részletességgel vázolták fel a világegyetem múltját, ráadásul ezeket a részleteket később megfigyelésekkel is sikerült igazolni.

Sötét anyag és sötét energia

Az észlelések és elméleti modellezések közepette ugyanakkor az is egyre világosabbá vált, amit egy ideje már sejtettek a kutatók: az univerzum energiájának csak egy kis töredékét, kevesebb mint 5 százalékát látjuk. A szakértők már az 1930-as évek óta tudták, hogy nem minden anyag látható, a galaxisok forgási sebességének méréseiből rövid úton kiderült, hogy azok látható anyagát pusztán saját gravitációjuk nem lenne képes egyben tartani.

Így került kidolgozásra a sötét anyag elmélete, amelyről egyúttal azt is feltételezték, hogy a galaxisok kialakulásában is szerepet játszot, már jóval azelőtt, hogy az univerzum átlátszóvá vált volna a fotonok számára. A sötét anyag mibenléte azóta is kérdéses. A kutatók egy ideig azt hitték, hogy talán a neutrínók állhatnak a háttérben, ezen közel fénysebességgel száguldozó, a kozmoszt elképesztően nagy számban elfoglaló, a normál anyaggal interakcióba alig-alig kerülő részecskékről azonban nehéz volt elképzelni, hogy bármit is összetartanának. Helyettük Peebles 1982-ben azt javasolta, hogy a sötét anyag részecskéi inkább nehéz, lassú részecskék lehetnek. Ezeket máig nem találtuk meg, de ha a teoretikusoknak igazuk van, a világegyetem anyagának 26 százalékát tehetik ki.

Einstein általános relativitáselmélete szerint az űr geometriája szoros kapcsolatban van a gravitációval: minél több az univerzumban az tömeg és az energia, annál nagyobb lesz az űr görbülete. Bizonyos tömeg és energia mellett az univerzum nem görbül, hanem lapos: ebben a típusú világegyetemben a párhuzamos vonalak sosem találkoznak. Ha ennél kisebb a tömeg, akkor az univerzum nyitott, és a párhuzamosok idővel széttartanak. Ha ennél nagyobb a tömeg, akkor az univerzum zárt, vagyis a párhuzamosok idővel metszeni fogják egymást.

A kozmikus háttérsugárzással kapcsolatos mérések világossá tették, hogy a mi világegyetemünk lapos. A benne található ismert anyag viszont csak az ehhez szükséges tömeg 31 százalékát tette ki: ez 5 százalékban normál anyag, 26 százalékban pedig sötét anyag volt. A maradék 69 százalék mibenlétére szintén Peebles javasolt egy radikális megoldást: 1984-ben újjáélesztette Einstein egykori kozmológiai állandóját, az üres űrben jelölve meg a hiányzó energia helyét.

állította Peebles.

A sötét energia mindössze 14 évig maradt tisztán elméleti koncepció: 1998-ban ugyanis Saul Perlmutter, Brian Schmidt és Adam Riess (2011 fizikai Nobel-díjasai) felfedezték, hogy a világegyetem gyorsulva tágul. Ami valószínűsítette valami láthatatlan, észlelhetetlen erő jelenlétét, ennek az elképzelésnek pedig a sötét energia tökéltesen megfelelt. A sötét anyag és a sötét energia jelenleg is a kozmológia legnagyobb rejtélyei közé tartoznak: csak abból sejtjük, hogy létezhetnek, hogy hatással vannak a látható univerzumra, ezen túl azonban egyelőre nem sokat tudunk róluk.

Idegen bolygók

A kozmológusok java egyetért azzal, hogy az ősrobbanás elmélete a jelenlegi legkielégítőbb modell az univerzum keletkezésével és fejlődésével kapcsolatban, annak ellenére is, hogy eszerint a világegyetem anyagának mindössze 5 százalékáról tudunk biztos információkat. Ez az anyag idővel galaxisokká, csillagokká és bolygókká állt össze, és bár azt a mai napig nem tudjuk, hogy van-e élet az univerzumban a Földön kívül, az bizonyossá vált az elmúlt 30 évben, hogy a Naprendszeren kívül léteznek bolygók, köztük a Földhöz hasonló planéták is.

A csillagászok jelenleg több mint 4000 exobolygót tartanak nyilván a Tejútrendszerben, köztük egészen furcsa, és meglepően szokványos égitesteket is. Az elsőként felfedezett olyan bolygó, amely egy Naphoz hasonló csillag körül keringett, rögtön óriási meglepetést okozott, ugyanis olyan típusú égitest volt, amelyhez hasonló saját rendszerünkben nem létezik.

De ezzel nem értek véget a furcsaságok, a bolygóról ugyanis az is kiderült, hogy egy, a Jupiter nagyjából felét kitevő gázóriásról van szó. A Naprendszerben pedig nemhogy egyetlen kőzetbolygó sem kering ennyire közel, mindössze 8 millió kilométerre a csillagától, de a gázóriások szigorúan a bolygórendszer külső felén foglalnak helyet.

A korábbi bolygóképződési elméletek természetesen a Naprendszert szem előtt tartva készültek, amely alapján úgy tűnt, hogy a gázbolygók csak a csillagtól távol formálódhatnak. (A Jupiternek például nagyjából 12 földi év kell, mire megtesz egy kört a Nap körül.) Az 51 Pegasi b viszont ellentmondott mindezen teóriáknak, és senki sem értette, hogyan létezhet. (Jelenleg a szakértők úgy sejtik, hogy ezek az égitestek jóval távolabb képződhettek, és csak később vándoroltak rendszerül belsejébe.)

Az viszont rövidesen megerősítést nyert, hogy a bolygó valóban létezik, a bejelentés után nem sokkal ugyanis két amerikai csillagász, Paul Butler és Geoffrey Marcy is azonosította a planétát. Sőt: a következő pár hónapban további két új exobolygót fedeztek fel, amelyek szintén nagyon rövid periódusidővel rendelkeztek. Az első években aztán további ilyen égitestek, úgynevezett forró jupiterek sora következett, ezeket ugyanis a rendelkezésre álló módszerekkel nagyon könnyű volt felfedezni: mivel rövid periódusúak voltak, rövid idő alatt többször is meg lehetett figyelni, ahogy körbeérnek pályájukon, nagy tömegük és átmérőjük pedig még inkább megkönnyítette detektálásukat.

Radiális sebességmérés

Mayor és Queloz radiális sebességméréssel fedezték fel az 51 Pegasi b-t, vagyis a bolygó jelenlétét annak csillagára kifejtett gravitációja alapján mutatták ki. A bolygó és a csillag ugyanis saját rendszerük közös tömegközéppontja körül kering, ami azzal jár, ahogy csillag is megteszi saját, picike köreit, így a Földről nézve előre-hátra imbolyog. Ez pedig a Doppler-hatás miatt nyomot hagy színképében: amikor távolodik tőlünk, sugarai a vörösebb tartományba tolódnak, amikor közeledik, akkor pedig a kék felé. Kellően érzékeny spektroszkópos mérésekkel így megállapítható a csillag imbolygásának mértéke, abból pedig a körülötte keringő bolygó tömege és távolsága is.

A módszerrel a legnagyobb probléma, hogy bár elméletek régóta léteztek arról, hogy működhet más bolygók megtalálásánál, érzékenysége sokáig nem tette lehetővé a planéták tényleges felfedezését. A csillag imbolygása ugyanis rendszerint nagyon mérsékelt, a bolygók gravitációja nyomán például a Nap 12 m/s-os sebességgel kering saját rendszerünk tömegközéppontja körül. Ez a sebesség javarészt a gigantikus Jupiternek köszönhető, a többi égitest alig járul hozzá, a Föld jelenléte például mindössze 0,09 m/s-mal növeli a Nap radiális sebességét.

Amikor Queloz az 1990-es évek elején a Genfi Egyetemen kezdett kutatni, Mayor már évtizedek óta tanulmányozta a csillagok mozgását. 1977-ben például az elsők között szerelt fel egy spektroszkópot a Haute-Provence Obszervatórium egyik távcsövére. Ennek mérési határa azonban még túlságosan magas, 300 m/s volt, így nem volt alkalmas az exobolygók detektálására.

Mayor a következő éveket a módszer érzékenységének növelésével töltötte, ebbe a munkába pedig később Queloz is bekapcsolódott. A kutatócsoport új technológiák sorát vetette be, hogy egyszerre minél több csillagot figyelhessenek egyre érzékenyebb spektroszkópjaikkal, és persze az egyre komolyabb számítógépes háttérrel.

***

A többi pedig már történelem: jelenleg naponta fedeznek fel új extraszoláris planétákat a csillagászok részben földi távcsövekkel, de még inkább kifejezetten erre „szakosodott”, űrbéli műszerekkel. Az egyik legújabb űrtávcső, a TESS például jelenleg is több mint 200 ezer csillag fényváltozásait figyeli, hogy egy másik technikával, a fedési módszerrel a Földhöz hasonló bolygókat találjon. Elődje, a Kepler önmagában több mint 2300 bolygó megtalálását segítette elő. Az új bolygók pedig új bolygóképződési elméletek születéséhez vezettek, és az élet utáni kutatást is átformálták.