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物理学のノーベル賞、初期の宇宙と太陽系外惑星の発見を称える


宇宙の起源とその中の人類の位置は、今日のノーベル物理学賞の発表でスポットライトを浴びました。プリンストン大学の物理学者ジェームス・ピーブルズは、物理宇宙論への貢献により賞の半分を獲得し、ジュネーブ大学の物理学者ミシェル・マヨールと、ジュネーブ大学およびケンブリッジのキャベンディッシュ研究所の天文学者であるディディエ・ケロスは、賞を共有しました。残りの半分は、1995 年に太陽のような恒星を周回する太陽系外惑星が発見されたことに充てられました。

ピーブルズが 1960 年代初頭にプリンストン大学でキャリアを始めたとき、ビッグバン理論の証拠はほとんどありませんでした。つまり、膨張する宇宙は、小さくて熱く、高密度の状態に時間をさかのぼって外挿できるという考えでした。その後、1965 年にアルノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンが宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) を発見しました。これは、宇宙が 380,000 歳のときに放出された太古の光です。 CMB は若い宇宙のスナップショットを提供し、滑らかで熱くシンプルな場所を明らかにします。ピーブルズは後に彼のメンターであるロバート・ディッケのことを思い出し、彼は「手を振って『理論について考えてみませんか』と言った」とピーブルズは語った。 「それ以来ずっとそうしています。」

Peebles は、CMB から宇宙の起源と内容に関する情報を引き出し、理論宇宙論を新しい厳格な時代に導く手助けをしました。 1965 年、ペンジアスとウィルソンの発見の直後に、ピーブルズ、ディッケ、および 2 人の同僚が、CMB とは何か、そしてそれがビッグバンとどのように関係しているかについての基本的な説明を発表しました。彼らは、光はほぼ最初から宇宙を伝播し、空間の膨張がそれを引き伸ばすにつれて、時間の経過とともに弱くなり、エネルギーが低下したと主張した.今日のこれらの光子のエネルギーから、摂氏 100 億度を超える初期宇宙温度を推測できます。

その熱い初期の時代に、電子の対とニュートリノの対が自発的に物質化し、陽子と中性子の合成につながり、これらの陽子と中性子が一緒になったときに原子核が作成された. 1966 年、ピーブルズは、ビッグバン元素合成として知られるこのプロセスで生成されたであろうさまざまな同位体の存在量を詳細に計算しました。

彼は、CMB の温度から中性子と陽子の原始密度を推測することにより、重水素、ヘリウム 3、ヘリウム 4 の相対量を計算しました。しかし、この CMB に基づく推定は、天文学者が現在の宇宙で観察したものとは異なっていました。この不一致は、重要な成分が欠落している可能性があることを示していました。 CMB の理論と観測の両方が改善されるにつれて、ピーブルズと他の理論家は、陽子と中性子の初期の密度が、現在暗黒物質として知られている別の種類の物質の密度の次に青ざめていることに自信を持つようになりました。

その後、1970 年代に、ピーブルズは宇宙構造形成の理論を開拓しました。この理論は、CMB に見られる微妙なホット スポットとコールド スポットが、現在の宇宙の銀河と空隙にどのように進化したかを説明しています。彼は、宇宙インフレーションの理論、ビッグバンの開始時の指数関数的膨張の仮説に大きく貢献し、暗黒エネルギー (宇宙自体に吹き込むと考えられている反発エネルギー) の理解を深めました。

「ジムはこの分野における真の巨人の一人です」と、プリンストン大学でのピーブルズの同僚であるポール・スタインハートは電子メールで書いています。 「彼の研究は、熱く膨張する宇宙についての私たちの理解を定性的なものから正確なものへと変え、暗黒物質の存在を明らかにし、残っているパズルを指摘しました。」

今年の物理学賞の半分は、宇宙に関する大規模な問題に関するピーブルズ氏の研究を称えたものでしたが、残りの半分は、宇宙における私たち自身の位置と独自性の感覚についての私たちの理解を変えた研究者に贈られました。ケースは — 私たちの惑星の家の.



1995 年までに、天文学者は遠く離れた恒星の周りの惑星を探すために何年も無駄な時間を費やしていました。発見の見通しは厳しいように見えました。惑星は暗く、星は明るいため、研究者は星の光を利用して近くに隠れている惑星を明らかにする方法を見つけなければなりませんでした。

彼らが決めた方法は、星自体に対する惑星の推定引力を利用することを目的としていました。惑星が恒星の周りを回る場合、両者は共通の重心の周りを回転します。恒星は惑星よりはるかに重いため、この重心は恒星の中心に非常に近く、恒星は少ししか動かないはずです。しかし、おそらく少しで十分でしょう。

観測者がこの星の軌道の端をじっと見つめると、惑星が遠くで円を描くように、星が近づいては離れていくのが見えます。救急車のサイレンの音が近づくと高くなり、遠ざかると低くなるように、星が宇宙を行ったり来たりすると、星からの光も周波数が高くなったり低くなったりするはずです。

しかし、そのような微妙な変化を測定できるかどうかは誰にもわかりませんでした。遠く離れたエイリアンの文明が、このように私たち自身の太陽を見て木星の存在を検出したい場合、太陽の動きのわずかな変化を検出する必要があると考えてください。木星が 1 周するのにかかる時間である 12 年。

検索を高速化する方法の 1 つは、一度に多くの星を詳しく調べることでした。これを念頭に置いて、メイヤーとケロスは新しいタイプのスペクトログラフを構築しました。これは、星から来る光の周波数を正確に測定するために使用されるデバイスです。 Elodie と呼ばれるこの新しい分光器により、142 の星からの光を同時に測定することができました。それを使用して、ペガサス座の太陽のような星であるペガスス座51番星から来る光の周期的なシフトを検出しました。この期間の長さ、つまり推定された惑星が主星の周りを一周するのにかかった時間はわずか 4 日で、予想よりもはるかに短かった。しかし、短期間で彼らは多くのサイクルを観測することができ、他の天文学者は比較的短い順序で発見を確認することができました.

その発見により、これまで隠されていた宇宙の次元が明らかになりました。 Mayor と Queloz は、私たちの太陽系が特別なものではなく、他の惑星系が発見されるのを待っていることを示しました。マサチューセッツ工科大学の天体物理学者で惑星ハンターのサラ・シーガーは、「市長とケロスの発見は系外惑星の分野から始まりました。 「とても簡単です。」

心とお金がすぐに検索に注がれました。系外惑星探査宇宙望遠鏡コローは 2006 年に打ち上げられ、続いて 2009 年にケプラー、2018 年に TESS が打ち上げられました。現在、知られている系外惑星の数は 4,000 を超えています。それらは、地球のような岩石から木星の矮星の巨人までさまざまです。独自の雰囲気を持つものもあります。他には水があります。その数と多様性により、天文学者は惑星がどのように作られるかというルールを書き直すことを余儀なくされました。天文学者は現在、惑星の数が恒星の数を上回っていると見積もっています — 私たちの銀河系だけでも数千億あります.

一見すると、今日のノーベル賞は 2 つのまったく異なる業績を称えているように見えます。 Peebles への賞は、宇宙全体の構造を探求する仕事に対して与えられます。対照的に、マイヨールとケロスは近くの恒星の周りに木星に似た惑星を発見した。しかし、これらの発見は、過去 50 年間に起こった 2 つの大きな変化を示しています。 1つ目は、私たちがどのようにしてここにたどり着いたかについて、初めて真に科学的かつ定量的なストーリーを作成したことです。 2 つ目は、まさに私たちがどこにいるのかについての驚くべき再考です。

開示:ディディエ・ケロスとポール・スタインハルトはシモンズ財団から資金提供を受けており、この財団はこの編集的に独立した雑誌にも資金を提供しています.



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