Pols d'estels

Com cada any a primers d’octubre les mirades es giren cap a Estocolm per descobrir quins seran els mereixedors dels premis Nobel de Física. Enguany, James Peebles, Michel Mayor i Didier Queloz, pioners en Cosmologia i en la cerca de planetes fora del Sistema Soler, respectivament, són els qui han estat guardonats amb el Nobel de Física  “ per les contribucions al nostre coneixement de l’evolució de l’univers i del lloc de la Terra en el cosmos” . Tots tres són referents en l’astrofísica actual i el premi que rebran de mans del rei de Suècia el pròxim desembre és ben merescut.

El professor Peebles de Princeton University, que rebrà la meitat del guardó, ha estat, juntament amb altres persones, el constructor del marc teòric de la cosmologia moderna des dels anys 60 del segle passat ençà.

L’origen de l’univers des dels primers instants s’explica actualment amb el model del Big Bang. Fa gairebé 14 mil milions d’anys, l’univers era extremadament petit, calorós i dens i formava una sopa de partícules de protons, neutrons, electrons i fotons, que interactuaven entre ells. Des de llavors, l’univers s’ha anat expandint, fent-se més gran i més fred. Poc abans dels 400.000 anys després del Big Bang, es formaren els primers àtoms d’hidrogen i d’heli, amb la qual cosa moltes d’aquestes partícules quedaren lligades, l’univers es va fer transparent i els raigs de llum van poder viatjar per l’espai sense interacció. Encara avui, aquesta antiga radiació ens envolta i el seu estudi detallat ens mostra molts dels secrets de l’univers. Arno Penzias i Robert W. Wilson, allà pel 1967, descobriren aquella radiació fòssil que James Peebles va poder interpretar i descobrir, a partir d’ella, nous processos físics. Tots ells van aconseguir la primera prova experimental que l’univers actual prové d’una explosió inicial calenta. La història apassionant d’aquest descobriment ja la vaig contar fa deu anys en conéixer personalment Robert W. Wilson.

Aquesta radiació del fons de microones és la imatge més primitiva del nostre univers, les primeres mesures de la qual valgueren el Nobel de Física de 1978 per als seus descobridors. Amb la base teòrica adient, aportació de James Peebles, les mesures d’aquest fons de radiació primitiu s’han anat refinant al llarg dels anys amb diversos satèl·lits dedicats. El 1992, el professor Smoot i el seu equip, després de diversos anys de mesuraments i anàlisis de les dades arreplegades pels detectors de microones a bord del satèl·lit COBE de la NASA, van produir mapes del cel que mostraven regions “calentes” i “fredes” amb diferències de temperatura d’una cent mil·lèsima de grau. Aquestes inhomogeneitats en la temperatura, observades per COBE tal com eren quan l’Univers tenia uns 400.000 anys, es consideren les petjades d’aquelles fluctuacions primordials i la confirmació del model del Big Bang. A partir d’aquestes fluctuacions es creu que es formaren les galàxies i els cúmuls de galàxies tal com els coneixem avui dia.

Finalment els resultats obtinguts a partir de les dades recollides per la missió europea Planck amb una resolució espectacular d’aquesta radiació primitiva ens van mostrar un univers del que es coneix només el cinc per cent del seu contingut, la matèria ordinària que constitueix estrelles, planetes, arbres, flors i nosaltres. La resta, el 95%, és matèria fosca i energia fosca desconeguda. Aquest és un misteri i un repte per a la física moderna.

La visió de James Peebles sobre la cosmologia física ha enriquit tot el camp de la investigació i ha posat les bases per a la transformació de la cosmologia durant els darrers cinquanta anys, des de l’especulació fins a la ciència. El seu marc teòric, desenvolupat des de mitjan anys seixanta, és la base de les nostres idees contemporànies sobre l’univers.

Les aportacions dels altres dos premiats, Michel Mayor i Didier Queloz, de la Universitat de Ginebra, són ben diferents. Actualment sabem que més enllà del sistema solar hi ha més de 4000 planetes descoberts que orbiten les seues estrelles. La mítica missió Kepler i l’actual TESS, han estat detectant els darrers 10 anys les subtils variacions de brillantor de les estrelles causades pel trànsit d’un dèbil planeta per damunt del seu disc.

Els guardonats, que rebran l’altra meitat del guardó, van ser els primers que descobriren que una estrella de tipus solar, 51 Pegasi, tenia un planeta al seu voltant, encara que utilitzaren el mètode de les variacions de les velocitats radials.

A l’octubre de 1995, Michel Mayor i Didier Queloz anunciaren el descobriment d’aquest planeta fora del nostre sistema solar, un exoplaneta, que orbitava una estrella de tipus solar a la nostra galàxia, la Via Làctia. A l’Observatori de l’Alta Provença al sud de França, amb instruments a mida, van poder veure com l’estrella 51 Pegasi oscil·lava lleugerament. Aquesta variació de velocitat radial, només podia explicar-se per la presència d’un planeta, anomenat posteriorment 51 Pegasi b, una bola gasosa comparable amb el gegant més gran del sistema solar, Júpiter, que estirava gravitatòriament l’estrella.

Aquest descobriment va iniciar una revolució en astronomia i des de llavors s’han trobat més de 4.000 exoplanetes a la Via Làctia. Encara s’estan descobrint nous mons estranys, amb una increïble riquesa de mides, formes i òrbites. Repten les nostres idees preconcebudes sobre sistemes planetaris i obliguen els científics a revisar les seues teories dels processos físics que hi ha darrere dels orígens dels planetes. Amb nombrosos projectes previstos per començar a buscar exoplanetes, segurament en pocs anys podrem trobar una resposta a l’eterna pregunta de si hi ha vida fora de la Terra.

Els premiats d’aquest any han transformat les nostres idees sobre el cosmos. Mentre que els descobriments teòrics de James Peebles van contribuir a la comprensió de com va evolucionar l’univers després del Big Bang, Michel Mayor i Didier Queloz van explorar els nostres barris còsmics a la recerca de planetes desconeguts. Els seus descobriments han canviat per sempre les nostres concepcions del món.

Més informació:

New perspectives on our place in the universe, Nobel Prize in Physics, 2019

Imatges de ”© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences”. Imatges lliures per propòsits no comercials.

No és fàcil mesurar distàncies a l’Univers. De fet llevat dels planetes i estels pròxims que es calculen per mitjà de mètodes geomètrics, el càlcul, ni que fos aproximat de la llunyania d’una nebulosa o galàxia, no va ser possible fins el treball abnegat i callat d’Henrietta Swan Leavitt que descobrí les estrelles cefeides i la seua utilitat per determinar distàncies.

Aquest descobriment fonamental per a l’astronomia va permetre, per primera vegada, determinar la grandària correcta de la nostra galàxia i l’existència d’altres galàxies separades, com la d’Andròmeda. Amb l’ús de les cefeides, Edwin Hubble va poder determinar la distància de milers de galàxies i a més, l’any 1929, va descobrir un fet sorprenent: quan més lluny es troba una galàxia més sembla allunyar-se de nosaltres. Un fet que plasmà en l’anomenada Llei de Hubble i que portà rapidàment a la idea d’un origen més comprimit i més dens de l’Univers en un passat llunyà.

Si les galàxies s’expandeixen vol dir que abans estan juntes i que ha hagut una gran explosió, o Big Bang, en expressió sorneguera de Fred Hoyle i que ha fet fortuna.Si bé la teoria de l’expansió està totalment acceptada, a finals dels anys 70, el descobriment de la rotació peculiar de les galàxies espirals va portar al descobriment de l’anomenada matèria fosca, una matèria desconeguda, sense emissió de llum però amb massa que és capaç de frenar la rotació esperable de les galàxies. L’Univers tenia, a més de matèria ordinària, lluminosa i massiva, una part no menyspreable d’un tipus de matèria estranya amb massa.

L’any 1998, però, els treballs de dos grups d’astrònoms diferents, un d’ells liderats per Saul Perlmutter (el Supernova Cosmology Project) i altre per Brian Schmidt (>High-Z supernova Research Team), en el que Adam G. Riess té un paper important, portaren a un descobriment sensacional.

Els equips es dedicaven a estudiar la lluminositat d’explosions d’estels en galàxies molt llunyanes, les anomenades Supernoves tipus Ia. Recordant el que he dit al principi, aquest tipus d’explosions estel·lars pot ser utilitzat com a patró de lluminositat per a calcular distàncies a galàxies molt remotes. La sorpresa de tots dos equips, de manera independent, va ser observar que aquestes supernoves llunyanes brillaven aproximadament un 25% menys del que s’esperava. L’única explicació possible era que les estrelles estaven realment molt més lluny del que semblava.

Aquest fet, entés dins de la teoria estàndar del Big Bang, indica clarament que l’univers no només s’expandeix sinó que a més a més està accelerat. I el causant d’aquesta acceleració és una força de repulsió, una mena d’antigravetat que separaria els components de l’univers. Aquesta seria el que s’anomena energia fosca, una energia que s’associa a l’espai buit i que actua com la constant cosmològica que predir Einstein. L’energia fosca ni brilla ni té massa però dóna compte del 70% del contingut total de matèria i energia i seria, per tant, la component dominant de l’univers.

Ben donat està doncs el Nobel de Fisica d’enguany. Bons són aquells reconeixements per als que obrin nous camins de la ciència. I ausades que aquests ho han fet.

Imatge: Saul Perlmutter, posant en front d’una imatge d’una supernova. Mesurant la brillantor d’un gran nombre de supernoves tipus 1a en galàxies llunyanes Perlmutter, Schmidt i Riess van ser capaços de mostrar que l’Univers s’expandeix més ràpidament del que es pensava abans. Crèdit: Lawrence Berkeley National Laboratory. De la web Optics.org