Нобелевскую премию по физике присудили за открытие экзопланеты и космологию

[Виктория Мишустина]

 

Нобелевскую премию по физике 2019 года присудили Джеймсу Пиблсу (James Peebles), за «теоретические открытия в области космологии», Мишелю Майору (Michel Mayor) и Дидье Кело (Didier Queloz) за «открытие экзопланеты на орбите вокруг солнцеподобной звезды». По словам Нобелевского комитета, оба этих открытия позволили по-новому взглянуть на место человека во Вселенной. Прямая трансляция объявления победителя ведется на сайте Нобелевского комитета. Подробнее о заслугах ученых можно узнать из пресс-релиза Нобелевского комитета.

 

Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2019 год: Джеймс Пиблс, Мишель Майор и Дидье Кело

Ill. Niklas Elmedhed // Nobel Media

Первую половину премии в этом году получил Джеймс Пиблс, который вместе с Яковом Зельдовичем заложил основы теоретической космологии. В настоящее время космологи довольно много знают о строении и истории Вселенной — в частности, физики могут рассчитать возраст Вселенной и проследить ее эволюцию вплоть до Большого взрыва, примерно назвать время, когда сформировались первые звезды и галактики. Однако так было далеко не всегда — долгое время космология оставалась чисто теоретической наукой, которую было очень сложно проверить с помощью прямых измерений. Джеймс Пиблс (с соавторами) теоретически предсказал ряд эффектов, которые указали астрономам верное направление поисков и впоследствии помогли подтвердить верность физических принципов, положенных в основу космологии.

 

В основном предсказания Джеймса Пиблза были посвящены спектру реликтового излучения — одного из немногих объектов, которые напрямую связаны с ранней эпохой жизни Вселенной. Вообще говоря, реликтовое излучение было теоретически предсказано в 1948 году, а в 1965 году его случайно зарегистрировали Арно Пензиас и Роберт Вильсон, которые впоследствии получили за это открытие Нобелевскую премию по физике. Однако предсказания Пиблса связаны не с фактом существования реликтового излучения, а с его свойствами. Во-первых, нобелевский лауреат показал, что реликтовое излучение играет важную роль в формировании галактик. Во-вторых, Пиблс рассчитал спектр флуктуаций реликтового излучения — в частности, оценил, как излучение будет выглядеть, если добавить к обычной материи холодную темную материю, и показал, что в такой модели относительная амплитуда колебаний температуры излучения находится на уровне 5×10⁻⁶. В-третьих, физик добавил в модель темную энергию с отрицательной плотностью и снова пересчитал спектр излучения. Кроме того, Пиблс изучил, как введенные им гипотетические сущности сказываются на эволюции Вселенной в целом и формировании галактик в частности.

 

Схематическое изображение эволюции Вселенной, включая момент, начиная с которого до нас доходит реликтовое излучение

Nobel Media

Впоследствии все эти предсказания были подтверждены спутниками COBE, WMAP и Planck. Именно благодаря расчетам космологов и измерениям спутников мы знаем, что Вселенная на 5 процентов состоит из обычной материи, на 26 процентов из темной материи и на 69 процентов из темной энергии. Попробовать себя в роли нобелевского лауреата и оценить, как состав Вселенной сказывается на спектре реликтового излучения, можно с помощью следующей интерактивной модели.

Вторую половину премию получили Мишель Майор и Дидье Кело, открывшие первую экзопланету на орбите солнцеподобной звезды — горячий Юпитер, вращающийся вокруг желтого карлика Гельветиоса в созвездии Пегаса. Для этого ученым пришлось разработать сверхточный спектрометр, который чувствовал слабые смещения спектра звезды, сопровождающие вращение планеты. После этого открытия астрономы, поверившие в возможности измерительных приборов, открыли более 4000 «новых миров», разбросанных по Млечному пути (интересное совпадение: количество открытых экзопланет примерно равно числу цитирований статьи Майора и Кело). Некоторые из этих миров даже какое-то время считались потенциально обитаемыми.

Метод, с помощью которого астрономы нашли экзопланету, был основан на эффекте Доплера. Чтобы понять, как работает этот метод, рассмотрим упрощенный пример звездной системы с одной массивной планетой. В такой системе и звезда, и планета будут обращаться вокруг общего центра масс. Если представить, что орбита планеты лежит в плоскости наблюдений, звезда в разные моменты времени будет двигаться с ненулевой скоростью по направлению к Земле и от Земли. Следовательно, из-за эффекта Доплера спектр ее излучения будет «краснеть» или «синеть». Чем тяжелее планета и чем ближе к звезде она расположена, тем быстрее она будет двигаться и тем заметнее будут сдвиги спектра. В частности, Майор и Кело зарегистрировали сдвиги примерно на 59 метров в секунду при погрешности спектрометра около 13 метров в секунду.

 

Принцип, благодаря которому была открыта первая экзопланета на орбите звезды солнечного типа

Nobel Media

Стоит отметить, что астрономы находили экзопланеты еще до открытия Майора и Кело. Например, в 1992 году Александр Волшчан (Aleksander Wolszczan) и Дайл Фрейл (Dale Frail) сообщили об открытии экзопланеты рядом с пульсаром PSR B1257+12. Впрочем, из-за ошибочных сообщений об экзопланетах вокруг других пульсаров, а также о сомнениях в существовании таких планет в принципе астрономы отнеслись к этому сообщению скептически. Открытие Майора и Кело таким сомнениям не подвергалось.

Незадолго до вручения Нобелевской премии агентство Clarivate Analytics пытается предсказать возможных кандидатов, ранжируя ученых по числу цитирований. В этом году агентство предложило трех кандидатов-физиков. Первый кандидат — Артур Эккерт, работавший в области квантовой криптографии и предложивший применять квантовую запутанность в шифровании. Второй кандидат — Тони Хайнц из Стэнфорда, внесший вклад в исследования наноразмерных материалов. Третий кандидат — Джон Пердью из Темпльского университета, разработавший широко известную теорию функционала плотности. Впрочем, обычно прогноз опережает решение нобелевского комитета на несколько лет. В частности, в 2013 году Clarivate Analytics выдвигала Майора и Кело в качестве возможных кандидатов.

В прошлом году Нобелевскую премию по физике присудили Артуру Эшкину (½ премии), Жерару Муру (¼ премии) и Донне Стрикленд (¼ премии) за «новаторские изобретения в области лазерной физики». Если точнее, Эшкина наградили за создание оптического пинцета, а Муру и Стрикленд — за разработку метода генерации ультракоротких высокоинтенсивных лазерных импульсов. В настоящее время оба метода широко применяются не только в физике, но и в сопредельных науках — например, в биологии и медицине. Подробнее про работу нобелевских лауреатов можно прочитать в тексте «Скальпель и пинцет».

В 2017 году Нобелевскую премию по физике разделили Райнер Вайсс (½ премии), Барри Бэриш (¼ премии) и Кип Торн (¼ премии), награжденные «за решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн». Благодаря работе ученых астрономы получили еще один канал наблюдений за Вселенной, с помощью которого можно проверить несколько недоступных ранее гипотез. Например, уточнить уравнение состояния нейтронных звезд и измерить скорость расширения Вселенной еще одним независимым способом. Более подробно про историю и работу детектора LIGO, а также про будущее гравитационной астрономии можно прочитать в материалах «Тоньше протона», «За волной волна» и «Ботаники в неведомой стране».

Чтобы компенсировать «потери» от вручения Нобелевских премий, организации церемонии награждения и содержания административного аппарата, фонд Нобеля вкладывает свои средства в ценные бумаги. В разные года соотношение доходов и расходов фонда получается разным, поэтому и размер премии строго не фиксирован. Например, в 2001 году лауреаты получили около 12 миллионов шведских крон, в 2007 году — около 10 миллионов, в 2012 — 8 миллионов. В этом году, как и в прошлом, премия составляет 9 миллионов крон (около 900 тысяч долларов или около 60 миллионов рублей по текущему курсу).

Кроме того, нужно учитывать, что лауреатам придется разделить 9 миллионов крон между собой, так что размер выплаты каждому награжденному физику сильно меньше заветного миллиона долларов. Таким образом, Нобелевская премия — это далеко не самая прибыльная, хотя и самая престижная премия по физике. Своеобразной альтернативой этой премии в последние годы стал Breakthrough Prize, который составляет три миллиона долларов для каждого лауреата.