Нобелевская премия по физике 2019 года присуждена за работы в двух достаточно удалённых друг от друга областях физики, объединённых только общим направлением: «космос и астрономия».
Объявление лауреатов состоялось 8 октября 2019 года в Стокгольме. Ими стали три астрофизика: Джеймс Пиблз (James Peebles) из Принстонского университета (Princeton University), официальная формулировка — «за вклад в понимание эволюции Вселенной и места Земли в космическом пространстве», Мишель Майор (Michel Mayor), университет Женевы (фр. Université de Genève) и Дидье Кело (Didier Queloz) из университета Женевы и Кембриджского университета (University of Cambrige). Для двух последних причина присуждения премии — «за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг звезды солнечного типа».
Как часто бывало в истории Нобелевских премий, награда этого года отмечает достижения и открытия, сделанные задолго до текущего момента. Так, Майор и Кело, лауреаты 2019 года, получили премию (по ¼ от всей суммы) за открытие ими ещё в 1995 году первой экзопланеты. А Джеймса Пиблза награда (½ премиального фонда) нашла спустя более чем 50 лет после его первых фундаментальных работ по исследованию реликтового космического излучения, опубликованных в середине 1960-х.
Реликтовое космическое излучение (Cosmic Microwave Background, CMB) — это «радиационный фон», оставшийся нам в наследство от ранних стадий эволюции Вселенной после Большого Взрыва. Модель Большого Взрыва описывает эволюцию Вселенной от её возникновения примерно 13,8 миллиарда лет назад. Как представляется, тогда она была заполнена исключительно плотным и непрозрачным для света «супом из частиц» при огромных температурах (particle soup, суп из частиц — это устойчивое выражение при объяснении ранних этапов жизни Вселенной). Предположительно, Вселенная с тех пор подвергается постоянному расширению, а появившееся примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва излучение (газ из фотонов) вследствие этого постоянно охлаждалось, пик спектра излучения всё более смещался в красную, то есть длинноволновую сторону (космологическое «красное смещение»). В настоящее время он соответствует температуре 2,725 К. Для сравнения: температура Солнца (около 5700 К) соответствует пику излучения на длине волны около 500 нанометров (это видимый диапазон, примерно зелёный цвет).
Экспериментальное обнаружение этого излучения и определение его температуры в середине 1960-х годов было открытием, уже отмеченным Нобелевской премией по физике в 1978 году. Как многие открытия, оно было сделано «случайно» — астрономы тщетно пытались убрать «паразитный шум» при работе космической радиоантенны. Заслуга Джеймса Пиблза и его коллег в том, что они правильно интерпретировали этот «шум» и связали реликтовое излучение с моделью эволюции Вселенной от Большого Взрыва. Кроме того, на основании данных по температуре и спектру этого излучения оказалось возможным не только определить возраст Вселенной, но и впоследствии оценить долю тёмной материи и тёмной энергии в общем балансе вещества во Вселенной. Кроме того, исследование флуктуаций реликтового излучения позволило понять, что его появление на ранних стадиях развития Вселенной прямо связано с последующим гравитационным «схлопыванием» материи с образованием звёзд, звёздных скоплений и галактик.
Экзопланеты — это планеты, вращающиеся в системах других звёзд, кроме Солнца. Идеи об их существовании высказывались ещё, по-видимому, в XVIII веке, а в XIX веке уже предпринимались первые попытки их обнаружения по косвенным признакам. Уже тогда астрономы примерно представляли, как можно обнаружить вращающуюся вокруг звезды планету по аномалиям орбит в системах двойных звёзд. Однако эпоха массовых открытий экзопланет наступила только в 1990-е годы, когда это позволил технологический скачок в методах и точности астрономических наблюдений. Первая уверенно подтверждённая система экзопланет была открыта только в 1992 году. Это были две планеты, вращающиеся вокруг звезды-пульсара. А в 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело, работавшие тогда в Женевском университете, наконец, открыли первую планетную систему у звезды, находящейся на Главной звёздной последовательности, то есть похожей на наше Солнце. В настоящее время количество подтверждённых экзопланет составляет более 4000. В основном они находятся в достаточно ближних по галактическим меркам окрестностях нашей Солнечной системы
Как можно обнаружить экзопланету? Метод прямого обнаружения (direct imaging) — самый очевидный, но в данном случае он почти не работает. Обнаружение планеты возле «чужой» звезды можно представить как такую задачу: во Владивостоке на берегу моря установлен мощный маяк (это аналог звезды в другой звёздной системе). За этим маяком мы будем наблюдать в телескоп с расстояния, на котором находится Петербург. А теперь рядом с маяком зажжём свечку (это аналог планеты) — и поставим задачу обнаружения её с помощью того же телескопа. Предприятие выглядит практически безнадёжным, но этим методом всё же было открыто около 50 экзопланет (из 4000).
Гораздо более плодотворными оказались косвенные методы. И большинство экзопланет на сегодняшний день были открыты с помощью двух категорий наблюдений: разновидностями метода транзита и измерением параметров движения звезды под гравитационным влиянием планеты. В транзитных методах астрономы смотрят на прохождение планеты на фоне диска звезды, когда происходит «затмение» звезды. Поскольку планета вращается с определённым периодом, такие изменения (провалы на так называемой «световой кривой» звезды — графике изменения светимости звезды со временем) должны повторяться регулярно. Период повторяемости при этом даёт период обращения экзопланеты, а уменьшение светимости позволяет сделать заключение о её размерах.
Во второй категории методов, один из которых и использовали Майор и Кело, физики смотрят на совместное вращение звезды и её массивной планеты, например, такой, как Юпитер или тяжелее, вокруг общего центра масс. Радиальную скорость, то есть в направлении на и от наблюдателя, можно определить при помощи эффекта Доплера — смещения спектра свечения звезды в красную, при удалении, или синюю, при приближении, сторону. Это тот же самый эффект, благодаря которому сигнал от приближающегося к нам автомобиля (или паровоза) звучит выше, а удаляющегося — ниже. По скорости движения звезды можно сделать заключение о массе экзопланеты (но остаются неясными размеры). Современные астрономические инструменты позволяют зафиксировать как изменение светимости звезды при транзите экзопланеты, так и изменения скорости движения звезды.
Первая открытая в 1995 году и «подтверждённая» экзопланета, за открытие которой и была присуждена Нобелевская премия — это планета звёздной системы 51 Пегас (51 Pegasi), была обнаружена методом радиальной скорости, из второй группы методов. Планета, открытая Майором и Кело, принадлежит к классу «горячих Юпитеров» — с массой в несколько Юпитеров, но на расстоянии до звезды, как у Меркурия. В нашей Солнечной системе такого «горячего Юпитера» нет, но в последующем астрофизики начали выделять категории планет в разных звёздных системах, аналогичные планетам в нашей Солнечной системе.
Скорее всего, вручение премии за это открытие именно сейчас связано с тем, что развитие методов и инструментария астрономии позволило в последние годы выделять классы планет, в число которых входят «суперземли» — планетные тела с плотностью, сопоставимой с нашими планетами земной группы и размерами, в 2—5 раз превышающими размеры Земли. А это — шаг на пути к обнаружению планеты, потенциально пригодной для жизни людей. Вишенкой на торте оказалось недавнее открытие планеты земной группы на расстоянии всего нескольких световых лет от нас, более того, предположительно находящейся в «зоне обитаемости».
