برندگان جایزه نوبل فیزیک در حوزه نجوم

بر کسی پوشیده نیست که جایزه نوبل فیزیک معتبرترین جایزه علمی است که هر‌ساله به افرادی تعلق می‌گیرد که ایده‌های نوآورانه خود را به اثبات رسانده و سبب پیشرفت‌های چشمگیر در این رشته شده‌اند. در این مقاله قصد داریم برخی از برندگان جایزه نوبل فیزیک را که در حوزه نجوم و کیهان‌شناسی فعالیت داشته‌اند، معرفی کنیم. می‌خواهیم ببینیم مطالعه چه چیزی سبب شد تا این دانشمندان موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شوند.

گرایش‌های رشته فیزیک و جایزه نوبل

رشته فیزیک همانند دیگر رشته‌های علمی، دارای گرایش‌های متفاوتی است. در یک دسته‌بندی کلی می‌توان ۸ گرایش مختلف برای این رشته نام برد. این گرایش‌ها عبارتند از: نجوم و اخترفیزیک، کیهان‌شناسی، فیزیک حالت جامد، نانو، فیزیک ذرات، فیزیک هسته‌ای، فیزیک اتمی-مولکولی و اپتیک.

در هر‌یک از این گرایش‌‌ها، دانشمندان به مطالعه عالم در مقیاس خاص و مشخصی می‌پردازند. به عنوان مثال، در حوزه فیزیک اتمی-مولکولی، همان‌طور که از نام آن پیداست، دانشمندان رفتار و خواص مواد در سطح مولکولی و اتمی را مورد مطالعه قرار می‌دهند. در شاخه کیهان‌شناسی نیز دانشمندان عالم را به‌عنوان یک ساختار بزرگ‌مقیاس درنظر می‌گیرند و رفتار آن را مطالعه می‌کنند.

هنگامی که صحبت از جایزه نوبل فیزیک می‌شود، ممکن است این جایزه به هر‌یک از گرایش‌های مذکور تعلق یابد و این تنها بستگی به میزان اکتشافات و پیشرفت‌های آن گرایش دارد. در سال‌های اخیر، با توجه به پیشرفت‌هایی که در شاخه‌های نجوم و کیهان‌شناسی رخ داده، بیشتر جوایز نوبل به این حیطه اختصاص یافته است.

برندگان جایزه نوبل فیزیک در شاخه نجوم در ده سال اخیر

همان‌طور که گفتیم، در سال‌های اخیر به‌علت پیشرفت‌ها و اکتشافات متعددی که در حوزه نجوم و کیهان‌شناسی رخ داده است، بسیاری از برندگان جایزه نوبل فیزیک از این حیطه بوده‌اند. در زیر لیست برندگان جایزه نوبل فیزیک در حوزه نجوم و کیهان‌شناسی از سال ۲۰۱۳ تا ۲۰۲۲ آورده شده است.

• سال ۲۰۲۱: «سیوکورو مانابه»، «کلاوس هاسلمان» و «جورجیو پاریسی» - برای مدل‌سازی فیزیکی آب‌وهوای زمین و پیش‌بینی میزان گرمایش کره زمین در سال‌های آتی.
• سال ۲۰۲۰: «راجر پنروز»، «راینهارد گنزل» و «آندریا گز» – پنروز یکی از پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام مبنی بر تشکیل سیاه‌چاله را به اثبات رساند و به همین دلیل برنده جایزه نوبل فیزیک شد. جایزه نوبل فیزیک در آن سال میان پنروز و دو دانشمند دیگر تقسیم شد. گنزل و گز به‌علت کشف یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم در مرکز کهکشان ما، کهکشان راه شیری، از دیگر برندگان بودند.
• سال ۲۰۱۹: «جیمز پیبلز»، «میشل مایور» و «دیدیه کوئلوز» – پیبلز برای اکتشافات نظری در حوزه کیهان‌شناسی، به‌ویژه تابش پس‌زمینه کیهانی و ماده تاریک، برنده این جایزه شد. مایور و کوئلوز که از دیگر برندگان بودند، موفق شدند یک سیاره فراخورشیدی جدید کشف کنند که به دور یک ستاره از نوع خورشید می‌چرخد.
• ۲۰۱۷: «راینر وایس»، «بری سی. باریش» و «کیپ اس. تورن» – برای کمک به مشاهده امواج گرانشی در آشکارساز «LIGO».

امواج گرانشی و جایزه نوبل فیزیک

همان‌طور که در بالا اشاره کردیم، جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۱۷ به سه دانشمند مطرح در این حوزه اعطا شد: راینر وایس، بری سی. باریش و کیپ اس. تورن. آن‌ها به‌دلیل مشارکت تأثیرگذاری که در آشکارساز «LIGO» (رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری) داشتند، موفق به دریافت این جایزه شدند. این گروه اولین گروهی در تاریخ بود که موفق به مشاهده مستقیم امواج گرانشی شد.

امواج گرانشی در سال ۱۹۱۵ توسط «آلبرت اینشتین» در نظریه نسبیت عام پیش‌بینی شد. طبق این نظریه، اجرام عظیم مانند سیاه‌چاله‌ها یا ستاره‌های نوترونی می‌توانند امواجی در بافت فضا-زمان ایجاد کنند. این امواج به‌عنوان «امواج گرانشی» شناخته می‌شوند و می‌توانند در عالم منتشر شوند. امواج گرانشی می‌توانند اطلاعات مربوط به اجسامی را که آن‌ها را ایجاد کرده‌اند، حمل کنند.

پروژه LIGO از دهه ۱۹۸۰ آغاز شد و هدف آن شناسایی و اندازه‌گیری مستقیم امواج گرانشی بود. وایس که یک فیزیکدان و مخترع است، نقش مهمی در توسعه آشکارساز تداخل‌سنجی LIGO ایفا کرد. این آشکارساز برای اندازه‌گیری تغییرات بی‌نهایت کوچک ایجاد‌شده در راستای دو پرتو لیزر عمودبر‌هم پس از عبور امواج گرانشی طراحی شده است.

دو دانشمند دیگر، باریش و تورن نیز نقش مهمی در ساخت این آشکارساز و رهبری پروژه داشتند. بری سی. باریش از سال ۱۹۹۴ تا ۲۰۰۵ مدیر این پروژه بود. تورن نیز کمک‌های نظری قابل‌توجهی در راستای درک فیزیک امواج گرانشی و منابع آن‌ها کرد؛ ازجمله پیش‌بینی امواج گرانشی تولیدشده توسط سیستم‌های دوتایی سیاه‌چاله‌ها.

در سپتامبر ۲۰۱۵، آشکارسازهای LIGO واقع در ایالات‌متحده با شناسایی امواج گرانشی برای اولین‌بار تاریخ‌ساز شدند. این امواج از برخورد دو سیاه‌چاله سرچشمه گرفتند. این مشاهدات پیشگامانه نظریه نسبیت عام اینشتین را تأیید کرد.

کشف امواج گرانشی از آن زمان انقلابی در‌زمینه اخترفیزیک و کیهان‌شناسی برپا کرده که بینش بی‌سابقه‌ای از ماهیت سیاه‌چاله‌ها، ستاره‌های نوترونی و دیگر پدیده‌های کیهانی با انرژی بالا را ایجاد نموده است. همچنین ابزار جدیدی برای مطالعه کیهان ارائه کرده که دانشمندان را قادر می‌سازد رویدادهایی را که تا پیش از این نامرئی بودند، مشاهده کنند؛ مانند ادغام سیاه‌چاله‌ها و یا ستاره‌های نوترونی.

اعطای جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۱۷ به سه دانشمند مذکور فعال در این حوزه آغازگر دوره جدیدی از نجوم امواج گرانشی بود.

تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی

در بخش‌های قبل اشاره کردیم که جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۱۹ به جیمز پیبلز و دو دانشمند دیگر اعطا شد.

پیبلز در مطالعه تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی که به‌اختصار با «CMB» شناخته می‌شود، مشارکت‌ تأثیرگذار و مهمی داشته است. او با مطالعات خود موفق شده درک ما از عالم در مقیاس بزرگ را تغییر دهد.

CMB تابش ضعیف به‌جامانده از انفجار بزرگ در عالم است و اطلاعات ارزشمندی از دوران اولیه شکل‌گیری عالم را با خود حمل می‌کند. در دهه ۱۹۶۰، پیبلز نقش مهمی در پیش‌بینی وجود این تابش و کشف ویژگی‌های آن ایفا کرد. او این نظریه را مطرح کرد که اگر عالم از یک حالت داغ و متراکم آغاز شده باشد (که آن را «بیگ بنگ» می‌نامیم)، این تشعشع با گذشت زمان سرد شده است و اکنون باید به‌عنوان یک تابش پس‌زمینه در سراسر عالم قابل شناسایی باشد.

مطالعات پیبلز راه را برای کشف CMB در سال ‍۱۹۶۵ توسط «آرنو پنزیاس» و «رابرت ویلسون» هموار کرد. همچنین شواهدی قوی در حمایت از نظریه انفجار بزرگ (بیگ بنگ) ارائه داد که امروزه پایه و اساس کار بسیاری از کیهان‌شناسان است.

پیبلز همچنین کمک قابل‌توجهی به درک ماده تاریک کرد. ماده تاریک شکل اسرارآمیزی از ماده است که نور در محدوده مرئی را جذب، بازتاب یا ساطع نمی‌کند و به همین دلیل قابل دیدن نیست. تنها به کمک اثرات گرانشی که این ماده در عالم می‌گذارد، می‌توان آن را شناسایی کرد. با‌این‌حال، اثرات گرانشی این ماده مرموز را می‌توان بر حرکت کهکشان‌ها و ساختارهای بزرگ‌مقیاس عالم مشاهده کرد.

این دانشمند چهارچوب‌ها و مدل‌های نظری متعددی را برای توضیح توزیع و رفتار ماده تاریک در عالم توسعه داد. کار او به ایجاد مفهوم «ماده تاریک سرد» به‌عنوان توضیحی جامع برای ساختارهای مشاهده‌شده در عالم و همچنین دینامیک آن‌ها کمک شایانی کرد.

به‌طور کلی، تحقیقات نظری پیبلز تأثیر عمیقی بر درک ما از عالم – از لحظات اولیه تا تشکیل ساختارهای بزرگ‌مقیاس – گذاشت.

کشف سیاره فراخورشیدی جدید

مایور و کوئلوز با کشف پیشگامانه اولین سیاره فراخورشیدی «51Pegasi b» که به دور ستاره‌ای شبیه به خورشید منظومه شمسی می‌چرخد، موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شدند.

در سال ۱۹۹۵، مایور و کوئلوز که هر دو در دانشگاه ژنو در سویٔیس مشغول به کار بودند، از تکنیکی به نام «سرعت شعاعی» برای تشخیص وجود این سیاره فراخورشیدی استفاده کردند. در این روش دانشمندان قادر هستند با اندازه‌گیری تغییرات دوپلری در طیف ستاره مرکزی، وجود سیاره در اطراف آن را حدس بزنند. این سیاره فراخورشیدی یک غول گازی شبیه به سیاره مشتری است که به دور ستاره خود، یعنی «51Pegasi» در مداری کوتاه می‌چرخد.

کشف سیاره فراخورشیدی 51Pegasi b بسیار ارزشمند بود؛ زیرا برای اولین‌بار وجود سیارات فراخورشیدی که به دور ستاره‌ای شبیه به خورشید می‌چرخند را اثبات کرد. پیش از این مشخص نبود که آیا سیاراتی در اطراف ستارگان دیگر وجود دارند و یا منظومه شمسی ما یک مجموعه منحصربه‌فرد است.

یافته‌های این دانشمند زمینه تحقیقاتی جدیدی را باز کرد که در آن دانشمندان به‌دنبال سیارات فراخورشیدی می‌گردند. سیارات فراخورشیدی درحقیقت سیاراتی مشابه با سیارات منظومه شمسی هستند که در بیرون از منظومه شمسی حضور دارند. تاکنون منجمان بسیاری موفق شده‌اند سیارات فراخورشیدی متعدد دیگری را کشف کنند. این اکتشافات به درک حیات در عالم کمک ارزشمندی می‌کند.

از سوی دیگر، کشف سیاره فراخورشیدی 51Pegasi b نظریه‌های موجود درباره شکل‌گیری سیارات را به چالش کشید و دانشمندان را وادار کرد تا درک خود از سیستم‌های سیاره‌ای را مورد ارزیابی مجدد قرار دهند. این کشف شواهدی را ارائه کرد که نشان داد برخلاف باورهای قبلی، سیارات بزرگ و مشتری‌مانند می‌توانند در مجاورت ستاره میزبان قرار داشته باشند و لزوماً نیازی نیست که در فواصل بسیار دور از آن باشند.

اکتشاف سیارات فراخورشیدی درک ما را از شکل‌گیری سیارات، قابل سکونت بودن آن‌ها و پتانسیل یافتن سیارات مشابه زمین گسترش داده است. کاری که مایور و کوئلوز انجام دادند، درک ما از منظومه‌های سیاره‌ای را متحول کرد و دوران جدیدی از اکتشافات سیاره‌ای را آغاز نمود.

سؤالات متداول