Nobelprijs naar drie natuurkundigen die onze blik op het universum veranderd hebben

Opvallend: de Nobelprijs voor de Natuurkunde gaat dit jaar naar wetenschappers uit twee vakgebieden die op zich weinig met elkaar te maken hebben. De Canadees James Peebles ontvangt de ene helft van de 9 miljoen Zweedse kronen "voor theoretische ontdekkingen in de kosmologie”. De andere helft wordt verdeeld onder de Zwitsers Michel Mayor en Didier Queloz "voor hun ontdekking van een exoplaneet in een baan rond een ster die lijkt op de zon”. Wat de kosmologie en de observatie van exoplaneten echter wel met elkaar gemeen hebben is dat ze  -elk op hun manier – ons beeld van het universum, en van onze plaats daarin, hebben veranderd.

Voor de ontdekking van Michel Mayor en Didier Queloz is meteen duidelijk waarom: in oktober 1995 maakten zij de eerste ontdekking van een planeet buiten ons  zonnestelsel bekend, rondom de ster 51 Pegasi. "Deze ontdekking ontketende een revolutie in de astronomie en sindsdien zijn 4.000 exoplaneten gevonden in de Melkweg", meldt de Zweedse Academie. “Vreemde nieuwe werelden met verschillende afmetingen, vormen en banen, worden op dit moment nog steeds ontdekt.”

De manier waarop het theoretische werk van Peebles onze kijk op het universum heeft veranderd, is wat subtieler. Zowat al onze kennis over het heelal zit vervat in ‘het standaardmodel van de kosmologie’, dat de geschiedenis van het universum beschrijft van de oerknal tot nu. Dat standaardmodel is het resultaat van een groot aantal wetenschappelijke ontdekkingen, te beginnen met de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Het is dus onmogelijk om één architect van dit volledige theoretische kader aan te duiden, maar James Peebles is een van de vele wetenschappers die een belangrijke rol speelden in de ontwikkeling ervan.

Het standaardmodel komt niet alleen goed overeen met de observaties van het huidige universum, maar ook met het verleden. Dat weten we omdat we over een soort ‘babyfoto’ van het universum beschikken. Kort na de oerknal, toen het licht voor het eerst ongehinderd door de ruimte kon bewegen, stuurde het jonge universum  haar warmtestraling uit. Deze echo van de oerknal kunnen we vandaag nog steeds waarnemen in de vorm van de ‘kosmische achtergrondstraling’.

De ontdekking van deze achtergrondstraling in 1964 was mooi voorbeeld van serendipiteit. Terwijl de astronomen Arno Penzias en Robert Wilson op zoek waren naar radiostraling uit het heelal rekenden ze niet op een irritant en onverklaarbaar achtergrondsignaal. Aanvankelijk dachten ze dat het singaal te wijten was aan de duivenstront op hun antenne, maar na een grondige schoonmaakbeurt, bleef het aanhouden. Toen ze uiteindelijk een verklaring zochten in theoretische berekeningen, waaronder die van James Peebles, beseften ze dat ze — nietsvermoedend — op de kosmische straling waren getuimeld. Penzias en Wilson werden daar al in 1978 voor beloond, met -jawel - de Nobelprijs voor de Fysica.

Dat James Peebles (84) er nu zelf ook eentje mag gaan ophalen, komt vooral omdat hij er op wees dat deze straling een goudmijn vormde voor kosmologen. In een artikel dat hij op 8 maart 1965 opstuurde naar The Astrophysical Journal, argumenteerde hij dat de achtergrondstraling “een kritische factor kan zijn bij de vorming van sterrenstelsels.”  Peebles was een van de eersten die zich realiseerde dat de temperatuurfluctuaties in de achtergrondstraling ons iets kunnen leren over hoe de materie in het universum is samengeklonterd tot de sterrenstelsels die het heelal tegenwoordig bevolken. De grootte van de temperatuurfluctuaties die Peebles had voorspeld (één honderdduizendste van een graad), werden in de jaren  90 bevestigd, door metingen van de COBE-ruimtesatelliet. Later brachten de Amerikaanse Wilkinson Microwave Anisotropopy Probe (WMAP) en de Europese Planck-satelliet die temperatuurfluctuaties nog fijner in kaart.

Volgens het Nobelprijscomité luidde het werk van Peebles, samen met bijdragen van de overleden Russische kosmoloog Yakov Zeldovich, een nieuw tijdperk in voor de kosmologie. “Hier worden de wetten van de fysica toegepast op het volledige universum. Dit is het moment waarop de kosmologie op weg is om een precisie-wetenschap te worden en een hulpmiddel om nieuwe fysica te ontdekken”, aldus de Zweedse Academie. Met andere woorden: de kosmologie werd niet langer gezien als speculatie, maar als een wetenschap, met hypothesen die kunnen bevestigd of ontkracht worden door waarnemingen.  De Canadese theoreticus beklemtoont ook zelf graag het belang van die observaties: “Naar mijn mening is theorie betekenisloos zonder waarnemingen”, vertelde Peebles aan de telefoon tijdens de persconferentie.

Zijn eerste boek, Physical Cosmology (1971), inspireerde volgens het Nobelprijscomité bovendien een hele nieuwe generatie natuurkundigen om verder bij te dragen aan de kosmologie als wetenschap, niet alleen door theoretische overwegingen maar ook met observaties en metingen. “Sindsdien zouden eeuwenoude vragen over waar we vandaan komen en waar we naartoe gaan enkel nog beantwoord worden door de wetenschap. De kosmologie werd voorgoed bevrijd van menselijke concepten zoals geloof en zingeving”, aldus de Zweedse Academie in een persbericht.

Het werk voor kosmologen is echter nog niet voltooid, want niet alle voorspellingen van het standaardmodel zijn al waargenomen. Peebles rekende uit dat 26 procent van het universum moet bestaan uit onzichtbare ‘donkere materie’. Hij veronderstelde dat die moet bestaan uit trage, zware deeltjes, maar die blijken voorlopig spoorloos. Ook van de zogenaamde donkere energie, die meer dan 70 procent van ons universum uitmaakt, is de inhoud onbekend. “Dit is een mysterie en een uitdaging voor de moderne fysica”, aldus de Academie.

Lees ook over de Nobelprijs voor Geneeskunde, die het onderzoek naar het mechanisme achter de zuurstoftoevoer naar weefsels en cellen beloonde.