جایزه نوبل فیزیک 2019 (گزارشی از جایزه نوبل فیزیک: کیهان‌شناسی نظری و کشف سیارات فراخورشیدی) - 1398/07/24

جایزه نوبل فیزیک امسال ۲۰۱۹ به دو محقق سوییسی و یک محقق آمریکایی- کانادایی اعطا شد.

نصف جایزه نوبل فیزیک امسال به «جیمز پیبلز» به دلیل اکتشافات نظری در کیهان‌شناسی فیزیکی و نیم دیگر این جایزه به‌طور مشترک به «میشل مایو» و «دیدیه کوئلُز» برای کشف سیارات فراخورشیدی که به دور یک نوع ستاره مدل خورشیدی می‌چرخد، اهدا شد.

برای سومین بار در یک دهه گذشته جایزه نوبل فیزیک به اخترفیزیکدانان و کیهان شناسان رسید. بعد از جایزه نوبل فیزیک سال 2011 برای کشف انبساط شتابان جهان از طریق رصد ابرنواخترهای دور دست، و جایزه نوبل فیزیک سال 2017 برای آشکارسازی امواج گرانشی، امسال نیز برای سومین بار در یک دهه گذشته، جایزه نوبل فیزیک را اخترفیزیکدانان و کیهان شناسان به خود اختصاص دادند.

جیمز پیبلز - دیدیه کوئولز - مایکل مایو

نیمی از این جایزه یک میلیون و یکصد و ده هزار دلاری، به جیمز پیبلز استاد بازنشسته کرسی علوم آلبرت اینشتین در دانشگاه پرینستون، به پاس کشفیات نظری در زمینه کیهان شناسی فیزیکی و نیمی دیگر جایزه به صورت مشترک به مایکل مایو استاد بازنشسته رصد خانه ژنو سویس و دیدیه کوئولز استاد دانشگاه های ژنو وکمبریج به پاس کشف یک سیاره فراخورشیدی در حال گردش به دور ستار ه ای شبیه خورشید، اعطا شد. دیدگاه های جیمز پیبلز در مورد کیهان شناسی فیزیکی، زمینه های تحقیق در حوزه کیهان شناسی را غنی تر کرده و درک بهتری برای شناخت کیهان بر اساس یافته های علمی فراهم آورده است. چارچوب نظری او که از اواسط دهه 1960 توسعه یافته است، اساس ایده های معاصر ما در مورد کل جهان می باشد. بر اساس نظریه انفجار بزرگ (بیگ بنگ) جهان ما از حدود 7/13 میلیارد سال پیش با یک انفجار بزرگ و از یک نقطه با چگالی بی نهایت، انبساط خود را شروع نموده است. در لحظه انفجار بزرگ، دمای کیهان و انرژی آن بی نهایت بوده و به تدریج با گسترش کیهان، دمای آن رفته رفته کاهش یافته و کیهان سردتر گردیده است. دمای فعلی کیهان حدود 7/2 درجه کلوین است که در حقیقت همان دمای تابش زمینه کیهانی برجای مانده از جهان اولیه است. در ابتدای کیهان به دلیل دمای بالا، اتم ها به صورت یونیزه و فوتون های کیهانی به شدت در حال برهمکنش با این یون ها بوده اند. در این حالت به دلیل این که فوتون های آزاد کمتری وجود دارد، کیهان غیر شفاف بوده است. با انبساط کیهان و کاهش انرژی و دمای آن، به تدریج الکترون های آزاد در دام هسته ها افتاده، اتم های خنثی تشکیل و سرانجام ماده کیهانی از حالت یونیزه خارج شده است. هنگامی که سن کیهان در حدود 400000 سال و دمای آن کمتر از3000 درجه کلوین بوده است، بیشتر یون ها به شکل اتم های خنثی هیدروژن و هلیم در آمده و بر همکنش فوتون ها با ماده کیهانی بسیارکاهش یافته و به اصطلاح جهان شفاف شده است. این فوتون های سرگردان همسان گرد برجای مانده از آن دوران اولیه، به صورت آزادانه در سراسر کیهان شروع به گسترش کرده اند و امروزه تحت عنوان تابش زمینه کیهانی با دمای 7/2 درجه کلوین در همه جهت ها، قابل آشکار سازی بوده و یکی از شواهد اصلی مدل انفجار بزرگ در کیهان شناسی می باشند. کیهان شناسان با تجزیه و تحلیل تابش زمینه کیهانی اطلاعات بسیار ارزشمندی از تحول کیهان از آغاز تا کنون به دست می آورند، زیرا این پرتوی باستانی، حامل بسیاری از رموز و اسرار در مورد چگونگی تحول کیهان در طول تاریخ آن، از حدود 7/13 میلیارد سال پیش تا کنون، و همچنین نشان دهنده ترکیبات کیهان ما می باشد. جیمز پیبلز با استفاده از ابزارهای نظری و محاسبات خود توانست این ردپاها را از بدو تولد عالم تعبیر كند و فرآیندهای جدید فیزیکی را كشف نماید. نتایج به دست آمده نشان می دهد که فقط 5 درصد از محتوای ماده و انرژی کیهان ما شناخته شده است. ماده ای كه کهکشان ها، ستاره ها، سیارات، درختان و موجودات و بدن خود ما را تشکیل می دهد. 95 درصد باقی مانده محتوای کیهان شامل ماده تاریک و انرژی تاریک ناشناخته است. ماده تاریک که حدود 25 درصد کل کیهان را تشکیل می دهد به صورت هاله ای اطراف کهکشان ها را فراگرفته است و سرعت لازم برای چرخش ستارگان دور دست به دور مرکز کهکشان را فراهم می کند، درحالی که انرژی تاریک که خدود 70 درصد کل کیهان را شامل می شود مسئول انبساط شتابدار کیهان است. معمای بخش تاریک کیهان یکی از بزرگترین اسرار و چالش های پیش رو برای کیهان شناسی نوین است.

 

 

در اکتبر 1995، مایکل مایو و دیدیه کوئولز برای اولین اعلام کردند که سیاره ای را در خارج از منظومه شمسی ما کشف کرده اند. یک سیاره فرا خورشیدی که در حال گردش به دور یک ستاره مانند خورشید در کهکشان راه شیری می باشد. سیاره فراخورشیدی به سیاره ای گفته می شود که خارج از سامانه خورشیدی قرار گرفته و به دور یک ستاره در حال گردش است. مطالعه سیاره‌های فراخورشیدی یکی از موضوعات نوین در دانش اخترشناسی‌است و شامل دو شاخه کلی کشف و شناخت ترکیبات این‌گونه سیاره ها می‌شود. رصد زمینی و فضایی سیارات فراخورشیدی به دو دلیل عمده کار چندان آسانی نیست. نخست این که به طور کلی، اندازه سیارات نسبت به ستاره ها ، بسیار کوچک تر است و سیارات فراخورشیدی در فاصله‌های بسیار دوری از زمین واقع‌اند. دوم اینکه سیارات با ستاره میزبانشان اختلاف درخشندگی بسیار زیادی دارند. وابسته به‌نوع ستاره و اندازه و دمای سیاره، ستاره می‌تواند از حدود هزار تا یک میلیون برابر درخشان تر از سیاره‌های پیرامون خود باشد. این بدان معناست که تفکیک نور بازتاب شده از سیاره از نور ستاره ای که سیاره به دور آن در حال گردش است، بسیار دشوار می باشد. به عنوان یک تشبیه، رصد یک سیاره غول‌پیکر مانند مشتری در مدار نزدیکترین ستاره‌ها به خورشید، مانند این‌است که در تهران بایستیم و بخواهیم سر یک مورچه، که در جزیره کیش در حال راه رفتن در کنار یک نورافکن به شدت پرنور است را مشاهده کنیم! با وجود تمام این سختی‌ها، اخترشناسان توانسته‌اند روش‌ها و ابزارهایی برای آشکارسازی و مطالعه خصوصیات سیارات فراخورشیدی ابداع کنند. مایو و کوئولز این کشف را در رصدخانه هاوت-پروونس در جنوب فرانسه، با استفاده از ابزار های رصدی پیشرفته، انجام دادند. آنها یک سیاره غول پیکر گازی را کشف کردند. این توپ گازی با بزرگترین غول گازی منظومه شمسی، یعنی سیاره مشتری قابل مقایسه است. جرم سیاره مشتری که بیشتر از هیدروژن و هلیم تشکیل شده است بیش از 318 برابر جرم زمین و 5/2 برابر جرم همه سیارت منظومه شمسی می باشد. با این حال شعاع مشتری یک دهم شعاع خورشید و جرم آن یک هزارم جرم خورشید می باشد. کشف سیارات فراخورشیدی باعث آغاز یک انقلاب در اخترشناسی شده است. از آن زمان تاکنون بیش از 4000 سیاره فراخورشیدی در کهکشان راه شیری یافت شده است. در حال حاضر همچنان دنیاهای عجیب و غریب جدید هنوز هم کشف می شوند، با تصور باورنکردنی از اندازه ها، اشکال و مدارها. آنها ایده های از پیش تصور شده ما در مورد سیستم های سیاره ای را به چالش می کشند و دانشمندان را وادار می کنند تا نظریه های خود را درباره فرآیندهای فیزیکی منشا وجود سیارات و منشا حیات در کیهان اصلاح نمایند. با پروژه های متعددی که برای شروع جستجوی سیارات فرا خورشیدی برنامه ریزی شده اند، ممکن است در نهایت پاسخی برای این سوال اساسی بیابیم که آیا حیات منحصرا در سیاره زمین وجود دارد؟ یا امکان وجود آن در سیارات فراخورشیدی نیز محتمل است؟ این یکی از سوالات اساسی در اخترفیزیک نوین و از کنجکاوی های همیشگی ذهن بشر می باشد. جستجو برای یافتن حیات زمینی یا اشکال دیگری از حیات در سایر سیارات فراخورشیدی کماکان ادامه دارد. برندگان امسال جایزه نوبل فیزیک، دیدگاههای ما را در مورد کیهان متحول کرده اند. در حالی که اکتشافات نظری جیمز پیبلز به درک ما در مورد چگونگی تکامل جهان پس از بیگ بنگ کمک می کند، مایکل مایو و دیدیه کوئولز اطراف کهکشان ما را برای کشف سیارات ناشناخته کاوش کردند. اکتشافات آنها برای همیشه برداشتهای ما از جهان را تغییر داده است. آیا ما در این جهان تنها هستیم؟ آیا موجودات هوشمند دیگری در سایر نقاط کیهان زندگی می کنند؟... شاید روزی بشر بتواند پاسخی برای این سوالات خود پیدا کند.

گزارشی از جایزه نوبل فیزیک: کیهان‌شناسی نظری و کشف سیارات فراخورشیدی

اثر هنری Sandbox Studio،‌ شیکاگو همراه آنا کوا

 

صبح روز سه‌شنبه‌ی گذشته، سه فیزیک‌دان، جیمز پیبلز، میشل ما‌یور و دیدیه کوئلوتس ، به‌خاطر دهه‌ها کار بنیادین در راه پیشرفت علم با یک تماس تلفنی از استکهلم، سوئد، باخبر شدند که برنده‌ی جایزه‌ي نوبل فیزیک شده‌اند. جایزه‌ی نوبل فیزیک امسال به خاطر «کمک در درک بهتر ما از تحول عالم و جایگاه زمین در کیهان» اهدا شده است.

نیمی از جایزه به پیبلز رسید، یک کیهان‌شناس نظری به‌خاطر کارهای پیشگامانه‌اش در موضوعاتی مانند تابش زمینه‌ی کیهانی و ماده‌ی تاریک سرد. نیم دیگر جایزه به‌خاطر کشف اولین سیاره‌ی فراخورشیدی که به‌دور ستاره‌ای خورشیدگونه می‌چرخد، 51 Pegasi b، بین مایور و کولوز تقسیم می‌شود.

در بیاینیه خبری آکادمی سلطنتی سوئد، ضمن ستودن این اکتشافات، آمده است: برندگان امسال تصورات ما درباره‌ی کیهان را دگرگون کرده‌اند. اکتشافات نظری جیمز پیبلز به درک ما از چگونگی تحول جهان پس از مهبانگ کمک می‌کند و مایکل مایور و دیدیه کوئلوتس با کاوش همسایگان کیهانی‌مان، سیاره‌های ناشناخته‌ای شکار کردند.

این اولین بار است که جایزه نوبل به‌خاطر تحقیقات کیهان‌شناسی نظری یا سیارات فراخورشیدی اهدا می‌شود. هنگامی که هر دو حوزه بسیار جدید بودند، با این مشکل مواجه بودند که آنها را به‌عنوان دانش جدی نمی‌پذیرفتند –تصوری که برندگان با یافته‌های خود آن را تغییر دادند.

 

پیشرفت کیهان‌شناسی

وقتی آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون به‌صورت تصادفی در سال ۱۹۶۵ سیگنال عجیبی در پهنه آسمان کشف کردند، اخترفیزیک‌دان‌ها سعی کردند که توضیح دهند این سیگنال دقیقا چیست. (پنزیاس و ویلسون به‌خاطر کارهای تجربی خود برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک سال ۱۹۷۸ شدند.)

 

گروهی متشکل از رابرت دیکی، پیتر رول، دیوید ویلکینسون از پرینستون و بعدها پیبلز،‌ فارغ‌التحصیل پرینستون، پاسخی ارائه دادند: این سیگنال، تابش زمینه‌ی کیهانی است، انتقال‌به‌ سرخ باقی‌مانده‌ی حاصل از نتایج مهبانگ.

این گروه مقاله‌ای منتشر کرد که طی آن با رابطه‌ی بین چگالی ماده‌ی جهان و دمای آن کارهای فکری پیشین درباره تابش زمینه‌ی کیهانی را ارتقاء دادند. آنها دریافتند چگالی‌های بیشتر باعث ایجاد دماهای بالاتر می‌شود که خود باعث تولید هلیم بیشتر می‌شود.

پیبلز و همکارانش بااستفاده‌از این رابطه‌ی بنیادی توانستند از دمای تابش زمینه‌ی کیهانی برای مقدار ماده‌ی معمولی جهان، درمقابل ماده‌ی تاریک یا انرژی تاریک، حدی تعیین کنند. اکنون درسایه‌ی این روش‌ها می‌دانیم که فقط حدود ۵درصد ماده‌ی موجود درجهان،‌ معمولی یا باریونی است.

 

 

پیبلز درادامه به پرسش‌های بیشتری درباره CMB می‌پردازد. پیش‌بینی شده بود که نوسانات چگالی در جهان اولیه باعث ایجاد امواجی درون پلاسمای داغ شده و آثار آن در CMB باقی مانده است. پیبلز و جر یو،‌ در سال ۱۹۷۰، چگونگی این امواج را محاسبه کردند. چهار دهه پس از آن نتایج حاصل از ماهواره‌ی پلانک نشان داد که این پیش‌بینی‌ها چقدر دقیق بوده است.

همچنین پیبلز با تکیه بر کار پیشگامانِ حوزه‌ی ماده‌ی تاریک، مانند ورا روبین، که تأثیر گرانشی ماده‌ی تاریک بر کهکشان‌ها را محاسبه کرد، اولین پیش‌بینی‌ها را درمورد ارتباط بین ماده‌ی تاریک سرد و ساختار بزرگ‌مقیاس جهان و نیز توضیحاتی برای چگونگی شکل‌گیری کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی ارائه داد.

پیبلز در سال ۱۹۸۴ دوباره «ثابت کیهان‌شناسی» ترسناک را معرفی کرد، ضریب موهومی‌ای که آلبرت اینشتین برای ایستا نگه‌داشتن جهان به‌کار برد. پس از اینکه هابل ثابت کرد جهان درحال انبساط است، اینشتین این ثابت را که با نماد Λ (لامبدا) نشان داده بود،‌ رها کرد.

 

اما پیبلز این ثابت را به‌عنوان راهی برای نجات ساختار جهان از خودش می‌نگریست. فضازمان پس از مهبانگ باید بیشتر و بیشتر خمیده می‌شد. اما اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که فضازمان تخت است –موقعیتی که با آنچه دانشمندان درباره مقدار قابل‌مشاهده‌ی ماده و انرژی جهان می‌دانند ممکن به‌نظر نمی‌رسد. به‌این‌ترتیب افزودن دوباره‌ی ثابت اینشتین می‌تواند انرژی گم‌شده را تأمین کند.

امروزه ما درباره‌ی انبساط شتاب‌دار جهان، که تصور می‌شود با انرژی تاریک ایجاد شده، چیزهایی می‌دانیم. بهترین توضیح آن به مدل ΛCDM معروف است. Λ برای ثابت کیهان‌شناسی و CDM برای ماده‌ی تاریک سرد –درست همان‌طور که پیبلز پیش‌بینی کرده بود.

بهارات راترا، کیهان‌شناسی‌از دانشگاه ایالتی کانزاس و از همکاران پیبلز در چندین مقاله، می‌گوید: احتمالا او (پیبلز) به‌عنوان یک نظریه‌پرداز مهم‌ترین نقش را (در توسعه کیهان‌شناسی) ایفا کرده است.

 

پیبلز طی سال‌های بعد کار خود روی معماهای کیهان‌شناسی را ادامه داد و به موضوعاتی همچون انرژی تاریک پرداخت. اما شاید برخی از مهم‌ترین کارهای او در پیشرفت در این زمینه آن چیزی نباشد که امروز کمیته نوبل آن را درنظر گرفته است. پیبلز نویسنده‌ی چندین کتاب تاثیرگذار است که پهنه‌ی کیهان‌شناسی را شکل داده و نسلی از کیهان‌شناسان تربیت کرده است.

پیبلز در مصاحبه تلفنی در یک کنفرانس خبری گفت: به جوانان توصیه می‌کنم که وارد علم شوند: شما باید به خاطر عشق به دانش وارد آن شوید. جایزه‌ها جذابند و جای قدردانی بسیاری دارد. اما جایزه‌گرفتن جزو برنامه شما نیست. شما به این دلیل وارد علم می‌شوید که جذب آن شده‌اید –این کاری است که من کردم.

 

 

سیارات فراخورشیدی وجود دارند!

بیست‌وچهار سال پیش وقتی دیدیه کوئلوتس و میشل مایور اعلام کردند که سیاره‌ای، 51 Pegasi b، خارج از منظومه‌ی شمسی خودی پیدا کرده‌اند، عده کمی حرف آنها را باور کردند. امروزه دانشمندان بیش از ۴۰۰۰ فراسیاره‌ی خورشیدی به آن فهرست افزوده‌اند. با کشف تعداد بیشتر سیارات فراخورشیدی، دیدگاه ما نسبت به جهان دستخوش نوعی انقلاب کوپرنیکی شد. دیگر ما در عالم تنها نیستیم. اکنون می‌دانیم که خورشیدهای دیگری هم هستند که جهان‌های دیگری دارند.

کولوز و مایور اولین کسانی نبودند که یک سیاره‌ی فراخروشیدی کشف کردند. در سال‌های پیش از اعلام کشف آنها، چیزهایی درباره‌ی سیگنال‌های سیاراتی که به‌دور تپ‌اخترها، ستارگان عجیبی که شبیه خورشید ما نیستند، می‌چرخند، شنیده شده بود. اما شواهدی از سیاراتی که به دور ستاره‌ای شبیه خورشید ما می‌چرخند، وجود نداشت.

مایور و کولوز برای انجام کشف خود از یک تلسکوپ نسبتاً کوچک –با قطر کمتر از ۲ متر- استفاده کردند که نور کافی برای دیدن آنچه به دنبال آن بودند را فراهم می‌کرد. این کار بیشتر یک ترفند تکنیکی بود.

 

بااین‌که ستارگان بسیار عظیم هستند، سیاره‌ای که به‌اندازه‌ی کافی بزرگ باشد و به دور آن بچرخد می‌تواند مکان ستاره را تغییر دهد. ستاره و سیاره، در چنین سیستم‌هایی، حول مرکز جرم مشترک خود می‌چرخند. این باعث می‌شود که ستاره به جلو و عقب لنگش داشته باشد. خورشید ما به‌واسطه‌ی وجود مشتری،‌ با اختلاف حدود ۶۰ مایل بر ساعت در هر ۱۲ سال مداری مشتری، به جلو و عقب کشیده می‌شود.

ناظر خارجی می‌تواند این اختلاف را اندازه‌گیری کند، زیرا تغییر در سرعت خورشید باعث تغییر فرکانس نور تابشی از آن می‌شود. وقتی ستاره به‌سمت ناظر جابه‌جا می‌شود، نور آبی‌تر می‌شود؛ و وقتی ستاره از ناظر دور می‌شود، نورقرمزتر می‌شود. با اندازه‌گیری انتقال‌به سرخ دوپلری در هر دور چرخش ستاره می‌توان مکان سیاره را تعیین کرد.

خوشبختانه آنها مجبور نشدند چند دهه صبر کنند. بااینکه 51 Pegasi b به‌اندازه‌ی مشتری است، هر چهار روز یک‌بار به‌دور خورشید خود می‌چرخید که اطلاعات زیادی به مایور و کولوز درباره‌ی کار با آن داد.

 

سارا سیگر، محقق سیارات فراخورشیدی در MIT، می‌گوید: این موضوع در آن زمان بسیار بحث‌برانگیز بود، افراد زیادی باور نمی‌کردند که آن (جرم کشف‌شده) یک سیاره‌ی فراخورشیدی باشد.

تا سال ۲۰۰۰، ۲۰ سیاره‌ی فراخورشیدی در فهرست قرار داشت و کنارگذاشتن این حوزه‌ی تازه‌سربرآورده مشکل‌تر شده بود. امروزه محققان سیارات فراخورشیدی زیادی پیدا کرده‌اند. آنها به دنبال جو این سیارات هم هستند، و حتی به‌دنبال طعمه‌های کوچک‌تر و سخت‌تر هم می‌گردند: قمرهای فراخورشیدی.

درحالی‌که روش دوپلر تا حد زیادی نسبت به دیگر روش‌های دقیق، موفق‌تر بوده است، کشف 51 Pegasi b به‌عنوان یک کاتالیزور در این زمینه عمل کرده و آن را از یک حوزه ی گمنامِ مورد تمسخر تا دریافت جایزه نوبل پیش برده است.

 

 

تغییر زمان

درسال‌های اخیر اهداء جایزه‌ی نوبل تحت بررسی دقیق قرار گرفته است. منتقدین می‌گویند محدودکردن جایزه به سه دریافت‌کننده مانع از پرداختن به تحقیقات مهمی در فیزیک شده است که صدها نفر، اگر نگوییم هزاران فیزیک‌دان، در آن همکاری داشته‌اند، و افسانه «نابغه‌ی تنها» را جاودانه کرده است.

پاریته، با این که یک مفهوم مهم در فیزیک است،‌ از دریافت جایزه نوبل بازمانده است. دونا استریکلند که سال گذشته برنده این جایزه شد، سومین زنی بود که برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک می‌شد، علی‌رغم این‌که کاندیداهای شایسته‌ی بسیاری وجود دارند، همچون چینگ-شیونگ وو (Chien-Shiung Wu)، جاسلین بل برنل (Jocelyn Bell Burnell)، لیز مینتر (Lise Meitner) و ورا روبین که اشاره شد،‌ و تا به امروز هیچ سیاه‌پوستی برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک، شیمی و پزشکی نشده است.

 

منبع: https://www.symmetrymagazine.org/article/nobel-awarded-for-theoretical-cosmology-exoplanet-discovery

نویسندگان:

احمد شیخی استاد فیزیک دانشگاه شیراز

 و  دانیل گاریستو (Daniel Garisto)

به نقل از http://www.psi.ir/news2_fa.asp?id=2890