4 juni 2020

Waarom James Peebles meer dan verdiend de Nobelprijs gewonnen heeft

Credit: Planck (https://www.cosmos.esa.int/web/planck/picture-gallery)

De Nobelprijs voor de Natuurwetenschappen 2019 is zoals eerder gemeld gewonnen door James Peebles voor z’n theoretische ontdekkingen over het ontstaan en de evolutie van het heelal en Michel Mayor en Didier Queloz voor hun ontdekking in 1995 van de eerste exoplaneet om een andere ster dan de zon, de Jupiterachtige planeet Pegasi 51b. Van dit drietal wil ik hier even ingaan op het werk van Peebles, die ook wel de ‘Vader van de fysieke kosmologie’ wordt genoemd en da’s niet voor niets. Hieronder som ik een rijtje met zijn belangrijkste publicaties op, die hem zijn grote reputatie hebben bezorgd en die het winnen van de Nobelprijs meer dan verdiend maken.

  • In 1965 publiceerden R.H. Dicke, P.J.E. Peebles, P.G. Roll en D.T. Wilkinson (Princeton) het artikel “Cosmic Black-Body Radiation“, waarin het viertal inging op het bestaan van een kosmische achtergrond van straling (CMB), die zou resteren van de hete oerknal. Die achtergrond was eerder al geopperd door Alpher, Herman en Gamow, maar Dicke, Peebles, Roll en Wilkinson wisten er voor het eerst berekeningen aan te doen, die uitwezen dat de straling daadwerkelijk kon worden waargenomen. Sterker nog: het artikel van het Princeton-viertal in The Astrophysical Journal werd gevolgd door het artikel van A. A. Penzias en R. W. Wilson, “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s“, waarin zij melding maken van de waarneming van die straling. Zij kregen daar in 1978 de Nobelprijs voor.
  • Later in 1965 publiceerde Peebles het artikel “The Black-Body Radiation Content of the Universe and the Formation of Galaxies“. Daarin beschrijft hij hoe de CMB de formatie van sterrenstelsels heeft beïnvloed. De straling in het vroege heelal zou in eerste instantie die vorming tegengehouden hebben, maar toen de temperatuur ervan daalde als gevolg van de uitdijing van het heelal zouden er instabiliteiten in de materie kunnen ontstaan, waar de dichtheid hoger was en waaruit sterrenstelsels konden ontstaan.
  • In 1966 kwam Peebles met artikelen over de nucleosynthese, het ontstaan van de lichte elementen tijdens de oerknal, deze en deze. In dat tweede artikel berekende hij bijvoorbeeld dat als de hedendaagse temperatuur van de CMB 3K is dat de hoeveelheid helium in het heelal dan 26-28% is van de totale baryonische massa. Nu weten we dat die hoeveelheid 25% is, dus een behoorlijk goede inschatting van Peebles.
  • In 1970 publiceerde Peebles samen met J.T.Yu het artikel “Primeval Adiabatic Perturbation in an Expanding Universe“, waarin ze ingingen op de minieme temperatuursvariaties in de CMB, die het gevolg zijn van geluidsgolven die door de materie in het vroege heelal heen gingen, materie die toen in de vorm van plasma was. Die variaties zijn later daadwerkelijk waargenomen, zoals door satellieten als COBE, WMAP en Planck (zie de afbeelding bovenaan, die de temperatuursvariaties in de CMB weergeeft, volgens de 2018 data van Planck).
    Een tijdlijn van het heelal van links de oerknal tot rechts het hedendaagse heelal Credit: The Nobel Prize organization
  • Peebles heeft ook veel werk verricht aan donkere materie. Zo schreef hij in 1973 samen met J.P. Ostriker het artikel
    A Numerical Study of the Stability of Flattened Galaxies: or, can Cold Galaxies Survive?” Daarin betogen ze dat sterrenstelsels zoals ons Melkwegstelsel een enorme halo moeten hebben van donkere materie, zonder welke de sterrenstelsels niet stabiel zouden zijn.
  • In 1982 komt peebles met het artikel “Large-scale background temperature and mass fluctuations due to scale-invariant primeval perturbations“, waarin hij zegt dat donkere materie koud moet zijn, Cold Dark Matter (CDM). Het zou gaan om niet-relativistische (d.w.z. langzaam bewegende), massieve en slecht reagerende deeltjes – later zou men spreken van WIMP’s, weakly interactive massive particles. Het ontstaan en de evolutie van (clusters van) sterrenstelsels zouden er door beïnvloed worden.
  • In 1984 komt Peebles in twee artikelen met een herinvoering van de Kosmologische Constante, die Einstein in 1917 had ingevoerd om een stabiel heelal te krijgen, deze en deze. In die artikelen beschrijft Peebles de Kosmologische Constante als de balans tussen de gemeten dichtheid van materie in het heelal en de beperkingen die de ‘vlakheid’ van het heelal op grote schaal met zich meebrengt (het heelal zou niet gekromd zijn, maar vlak, ‘flat’ in het Engels). Met de artikelen uit 1982 en 1984 legt Peebles de basis voor hét hedendaagse heelalmodel, het Lambda CDM model, waarin sprake is van een heelal met donkere energie (Lambda, da’s de Kosmologische Constante) en koude, donkere materie.

Tenslotte nog een video van de voordracht die James Peebles gaf in juni 2014 tijdens een symposium over de geschiedenis van de donkere materie. Tijdens dat symposium had ik een interview met Peebles en Michael Turner. De video zegt dat die voordracht in 2013 was, maar dat klopt niet (tenzij Einstein vanuit het hiernamaals tijdens die voordracht een tijdsdillatatie van een jaar naar de aarde heeft gezonden).

Bron: Astrobites + Francis Naukas.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.