Nobelpreis für Physik 2019: Kosmologie und Exoplaneten

Niklas Elmehed © Nobel Media

Die Kungl. Vetenskapsakademien, die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften, hat den „Nobelpreis für Physik“ 2019 an James Peebles, Michel Mayor und Didier Queloz verliehen, für „Beiträge zu unserem Verständnis der Evolution des Universums und des Platzes der Erde im Kosmos“.

PHYSIKALISCHE KOSMOLOGIE

Der Kanadier James Peebles, mittlerweile in jeder Hinsicht Amerikaner und emeritierter Professor der Princeton University, hat es geschafft, die Kosmologie von der reinen Theorie zu etwas Messbarem zu führen, sodass man von physikalischer Kosmologie sprechen kann. Die Kosmologie untersucht Ursprung, Entwicklung und Beschaffenheit des Universums und nutzt dazu faszinierende Werkzeuge wie die Relativitätstheorie.

Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung

Der zentrale Punkt ist die Untersuchung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBR). Wir gehen von der Annahme aus, dass wir natürlich nicht wissen können, was den berühmten Urknall ausgelöst hat. Die Hypothese über die folgenden Augenblicke betrifft eine Art Schmelztiegel aus Teilchen, die durch sehr hohe Temperaturen zusammengehalten wurden, das, was die Angelsachsen „Ursuppe“ nennen. Nach etwa 400.000 Jahren konnten die Photonen, die nichts anderes als Teilchen sind, infolge einer fortschreitenden Abkühlung aus der Ursuppe entweichen und erzeugten den ersten Lichtstrahl im Universum. Nun, dieser Strahl ist in gewisser Weise noch vorhanden und kann nachgewiesen werden, da es sich um eine (nicht sichtbare) Strahlung mit einer Wellenlänge von wenigen Millimetern und einer Frequenz im Mikrowellenbereich handelt.

Peebles, Nobelpreis 2019 „für theoretische Entdeckungen in der physikalischen Kosmologie“.

Professor Peebles hat auf analytischer Ebene alles vorhergesagt. Später wurde diese Strahlung tatsächlich eingefangen, wenn auch durch reinen Zufall. Peebles verstand, dass die Temperatur der CMBR uns Informationen über den Prozess der Freisetzung von Photonen und anderen Teilchen nach dem Urknall und damit über die Entstehung des Universums liefern konnte: Die Kosmologie war nicht mehr etwas rein Theoretisches, sie konnte Daten zur Untersuchung und Größen zur Messung nutzen.

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Nach der „Allgemeinen Relativitätstheorie“ von Albert Einstein hat die Geometrie des Universums mit der Schwerkraft zu tun. Lassen wir die Definition der Schwerkraft beiseite und schauen wir, wie unser Universum aufgebaut ist. Ist es ein Fußball? Hat es die Form eines Donuts? Nach Einstein neigt das Universum umso mehr dazu, sich zu krümmen, je mehr Masse (und damit Energie) es enthält. Es gibt jedoch einen kritischen Wert von Masse und Energie, bei dem das Universum als flach gelten kann. Was bedeutet flach? Sagen wir es so: Die berühmte Definition paralleler Geraden gilt.

Flaches Universum

Die Temperaturmessungen der CMBR, von denen Peebles sprach, lieferten uns eine außergewöhnliche Aussage: Da die CMBR im Laufe der Zeit eine bestimmte Temperatur angenommen hat, kann das Universum nur flach sein. Wir erwarten daher eine im Universum vorhandene Gesamtmasse, bei der der berühmte, von der Relativitätstheorie vorhergesagte kritische Wert erreicht wird. Leider geht die Rechnung nicht auf: Es fehlt Masse. Die baryonische Materie (also die „gewöhnliche“, die Strahlung aussendet und daher identifizierbar ist) macht nur 5 % der Gesamtmenge aus, die wir erwarten würden. Dann gibt es gut 26 %, die aus der sogenannten „dunklen Materie“ bestehen (die keine Strahlung aussendet und daher nur anhand ihrer Gravitationswirkung nachweisbar ist). Sie verhindert, rechnerisch gesehen, dass die Galaxien implodieren. Wir sind bei 31 %, es fehlen etwa 69 % der Materie (also der Masse), um jenen kritischen Wert zu erreichen, der, wir wiederholen es, experimentell bestätigt wurde: Diese 69 % müssen zwangsläufig existieren.

Dunkle Energie

Peebles führte dann das Konzept der „dunklen Energie“ ein, also der Energie des leeren Raums. Damit geht die Rechnung auf. Erinnern wir uns, dass nach Einstein Masse und Energie zwei Seiten derselben Medaille sind. Der Raum besitzt eine ihm innewohnende Energie, die durch die Vakuumfluktuationen bestimmt wird. Achtung: Diese Fluktuationen sind nachweisbar, wir sprechen nicht von Hypothesen. Die berühmte „kosmologische Konstante“ Einsteins (sein „größter Fehler“) könnte, wenn auch mit anderer Deutung, nun wieder in den Gleichungen berücksichtigt werden und die Bedeutung der „Vakuumenergie“ annehmen. Professorin Suzanne Staggs aus Princeton fasste die Arbeit von Jim Peebles gut zusammen: „[…] er hatte immer das Äquivalent der Sicht eines Satelliten, aber auf das gesamte Universum“.

DIE SUCHE NACH EXOPLANETEN

Michel Mayor und Didier Queloz, Professoren an der Universität Genf, entdeckten den ersten umlaufenden Planeten um einen sonnenähnlichen Stern (Hauptreihensterne, auch „Zwergsterne“ genannt). Es handelt sich um 51 Pegasi b, 50 Lichtjahre von der Erde entfernt, ein Zwilling unseres Jupiter, der aber nur 8 Millionen Kilometer von seinem Stern entfernt ist. Räumen wir jeden Zweifel aus: Exoplanet bedeutet einfach „Planet, der nicht zum Sonnensystem gehört“. Also: Wie können wir Exoplaneten finden, wenn sie kein eigenes Licht abgeben? Die Arbeit von Mayor und Queloz beantwortet diese Frage.

Mayor und Queloz, Nobelpreis 2019 „für die Entdeckung eines Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist“

Planeten und Doppler-Effekt

Die beiden Gelehrten gingen von einem nicht trivialen Konzept aus: So wie sich ein Planet um einen Stern bewegt, bewegt sich auch der Stern, wenn auch minimal, beeinflusst vom Planeten, der ihn umkreist. Diese Bewegung lässt sich messen und liefert eine physikalische Größe, die als „Radialgeschwindigkeit“ bekannt ist, also die Geschwindigkeit der Änderung des Abstands zwischen Stern und Planet. Wie wird die Radialgeschwindigkeit gemessen?

Nehmen wir eine Welle (eine sich ausbreitende Strahlung) und ihre Quelle. Bewegt sich diese Quelle, nimmt der Beobachter die Welle verzerrt wahr (also veränderlich gegenüber dem tatsächlichen Wert): Das ist der berühmte Doppler-Effekt. Denken Sie an einen Krankenwagen, der vorbeirast, während Sie zu Hause auf Ihrem Sofa sitzen: Die von der Sirene erzeugte Schallwelle verändert sich, wenn er sich Ihnen nähert, und verändert sich erneut, wenn er sich entfernt. Das Sternenlicht verhält sich genauso. Dank des Doppler-Effekts können wir die Radialgeschwindigkeit untersuchen, anhand derer wir sicher sein können, dass ein Planet den Stern umkreist, da der Planet die Ursache des festgestellten Effekts ist.

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Mit der soeben beschriebenen Methode lässt sich die Masse des Planeten bestimmen. Zur Bestimmung der Abmessungen wird stattdessen die Methode der „Transitphotometrie“ verwendet. Wenn sich ein Planet zwischen den Stern und unsere Teleskope schiebt, nimmt die Lichtstärke ab, und im Verhältnis dazu können wir die Größe des Planeten bestimmen. Es gibt auch andere Methoden zur Suche nach Planeten, die jedoch nicht Teil der Arbeit der beiden neuen Nobelpreisträger sind.

Dank Mayor und Queloz haben wir Tausende und Abertausende von Exoplaneten entdeckt. Der am weitesten entfernte ist stolze 27.000 Lichtjahre entfernt: Für einen möglichen Urlaub braucht es dringend Wurmlöcher.