Fysiikan Nobel-palkinnot tähtitieteilijöille

Vuoden 2019 Nobel-säätiön myöntämät Nobel-palkinnot luovutetaan kolmelle tähtitieteilijälle. Palkinnon saajat ovat yhdysvaltalainen James Peeples (1/2) sekä sveitsiläiset Michel Mayor (1/4) ja Didier Queloz (1/4).

Vuoden 2019 Nobel-palkinnon saajat. Kuva Nobel-säätiö.

Nobel-säätiö perustelee valintojaan seuraavasti:

”James Peeblesin näkemykset fyysisestä kosmologiasta ovat rikastuttaneet koko tutkimusaluetta ja luoneet perustan kosmologian muutokselle viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana spekuloinnista tieteeseen. Hänen 1960-luvun puolivälistä lähtien kehittämänsä teoreettinen kehys on perusta nykyaikaisille ajatuksillemme maailmankaikkeudesta.

Big Bang -malli kuvaa maailmankaikkeutta alkaen sen ensimmäisistä hetkistä, melkein 14 miljardia vuotta sitten, jolloin se oli erittäin kuuma ja tiheä. Siitä lähtien maailmankaikkeus on laajentunut, muuttunut suuremmaksi ja kylmemmäksi. Vain 400 000 vuotta [380 000 v.] alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeudesta tuli läpinäkyvä ja valonsäteet pystyivät kulkemaan avaruuden läpi. Vielä tänäkin päivänä tämä muinainen säteily on ympärillämme ja siihen on koodattuna monet maailmankaikkeuden salaisuudet. James Peebles pystyi teoreettisten työkalujen ja laskelmien avulla tulkitsemaan nämä jäljet ​​maailmankaikkeuden alusta asti ja löytämään uusia fyysisiä prosesseja.

Tulokset osoittivat meille, että maailmankaikkeudesta, jonka tunnemme, on vain viisi prosenttia tähtiä, planeettoja, puita - ja meitä. Loppuosa, 95 prosenttia, on tuntematonta pimeää ainetta ja pimeää energiaa. Tämä on mysteeri ja haaste nykyaikaiselle fysiikalle.

Lokakuussa 1995 Michel Mayor ja Didier Queloz ilmoittivat ensimmäisestä löydöstään aurinkokunnan ulkopuolella sijaitsevasta planeetasta, eksoplaneetasta, joka kiertää aurinkotyyppistä tähteä kotigalaksissamme, Linnunradassa. Etelä-Ranskassa sijaitsevassa Haute-Provencen observatoriossa he pystyivät havaitsemaan räätälöityjä instrumentteja käyttämällä planeetta 51 Pegasi b, kaasumainen pallo, joka on verrattavissa Aurinkokunnan suurimpaan kaasujätteeseen Jupiteriin.

Tämä löytö aloitti tähtitieteen vallankumouksen, ja Linnunradalta on sittemmin löytynyt yli 4 000 eksoplaneettaa. Kummallisia uusia maailmoja, joita edelleen löydetään ja joita on uskomattoman määrä eri kokoisia, muotoisia ja erilaisilla kiertoradoilla. He haastoivat ennakkokäsityksemme planeettajärjestelmistä ja pakottavat tutkijoita tarkistamaan teoriansa niistä fyysisistä prosesseista, jotka johtavat planeettojen syntymiseen. Lukuisten hankkeiden avulla, jotka on suunniteltu etsimään eksoplaneettoja, voimme lopulta löytää vastauksen ikuiseen kysymykseen siitä, onko maailmankaikkeudessa muuta elämää [kuin omamme].

Tämän vuoden palkinnon saajat ovat muuttaneet ajatuksiamme kosmoksesta. Siinä missä James Peeblesin teoreettiset havainnot auttoivat ymmärtämään maailmankaikkeuden kehitystä alkuräjähdyksen jälkeen, Michel Mayor ja Didier Queloz tutkivat kosmisia lähialueitamme metsästääkseen tuntemattomia planeettoja. Heidän löytönsä ovat ikuisesti muuttaneet käsityksiämme maailmasta.” [Käännös englanninkielestä Kari A. Kuure]

Nobel-säätiö julkaisi myös kaksi syventävää artikkelia aiheesta. Nämä ovat
New perspectives on our place in the universe

ja tieteellisen julkaisun tapaan kirjoitettu artikkeli
Physical Cosmology and Exoplanet Orbiting a Solar-type Star

Fysiikan Nobel neutriinotutkijoille

Athur B. McDonald. 

Takaaki Kajita.

Tämän vuoden fysiikan Nobel-palkinto on myönnetty Takaaki Kajita’nille ja Arthur B. McDonald’ille. Palkinnon saajat olivat päätekijöitä tutkimuksissa joissa selviteltiin neutriinojen [1] muuttumista toisentyyppisiksi. Jotta muodonmuutos olisi mahdollista, neutriinoilla täytyy olla massa[2]. Tosin massan määrää ei vielä ole pystytty määrittämään mutta joitakin enimmäisarvioita niistä on.

Takaaki Kajita teki tutkimuksia japanilaisella Super-Kamiokande laitteistolla [3] ja havaitsi Auringosta tulevan kahdenlaisia neutriinoja. 

Samaan aikaan vuosituhannen vaihteessa kanadalainen Arthur B. McDonald pystyi osoittamaan neutriinojen säilyvän mutta muuttuvan toisiksi neutriinotyypeiksi matkallaan Auringosta Maahan. Ennen McDonaldin ja Kajitan työtä, tutkijoita ihmetytti ”puuttuvien neutriinojen ongelma”, sillä Auringosta näytti tulevan vain kolmas osa siitä neutronivuosta jota teorian mukaan piti sieltä tulla. McDonald pystyi osoittamaan, että neutriinoja ei suinkaan puutu, vaan ne muuttuvat toisiksi tyypeiksi, joita ilmaisimet eivät pystyneet havaitsemaan. McDonald työsketelee Sudbury Neutrino Observatoryssä [4].

Tutkijoiden työ oli ratkaisevassa asemassa selviteltäessä neutriinojen ominaisuuksia, sillä standardimalli ei ennustanut neutriinojen tyyppimuunnoksia. Päinvastoin, standardimallissa neutriinot olivat massattomia ja tämän tyyppiset alkeishiukkaset eivät voi vaihtaa tyyppiään[5].

Aiheesta voi lukea lisää julkaisusta

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/advanced-physicsprize2015.pdf

Huomautukset

[1] neutriinot ovat standardimallin ennakoimia sähköisesti neutraaleja fermioneihin kuuluvia alkeishiukkasia, joiden spinluku on ½. Neutriinoa ei pidä sekoittaa neutroniin, joka koostuu (ei siis ole alkeishiukkanen) kolmesta kvarkista: 1u ja 2d-kvarkkia.

[2] Neutriinoja on maailmankaikkeudessa niin runsaasti, että massan kriittinen yläraja on noin 50 eV (elektronivolttia). Jos neutriinojen massa olisi tätä suurempi, maailmankaikkeus olisi romahtanut gravitaation vaikutuksesta. Uusimpien tutkimusten mukaan neutriinojen massat voivat olla enintään 0,2–2 eV. Kukin neutriinolaji on erimassainen.

[3] Super-Kamikande laitteisto perustuu neutriinojen aiheuttamaan Cerenkovin säteilyyn niiden kulkiessa suuren puhdasvesisäiliön läpi. Säiliön tilavuus on noin 50 m³ ja sen seinämillä on yli 11 000 valoilmaisinta, jotka havaitsevat syntyneen Cerenkovin säteilyn. Cerenkovin säteily syntyy, kun neutriino törmää vesimolekyyliin. Sen seurauksena molekyylistä irtoaa (vedessä) yli valonnopeudella etenevä elektroni, joka synnyttää varsinaisen valonpurkauksen.

[4] Sudbury Neutrino Observatory’n neutriinoilmaisin muistuttaa jonkin verran Super-Kaminkandea mutta siinä käytetään raskasta vettä (D₂O). Ilmaisimessa elektronin neutriinon törmäys raskasvesimolekyyliin tuottaa elektronin ja kaksi protonia. Jokainen kolmesta neutriinolajista (=neutriinojen maku: elektronin, taun ja myonin neutriinot) iskevät deuteriumista protonin ja neutronin pois. Ilmaisimilla voidaan määrittää tapahtumien lukumäärät ja niiden väliset suhteet kertovat kunkin neutriinolajin vuon. Raskaaseen veteen lisätty suola herkisti ilmaisinta kolminkertaiseksi erityisesti taun ja muyonin neutriinojen ilmaisussa ja näin uudet tutkimukset vahvistivat tuloksen.

[5] Auringossa tapahtuvat ydinfuusiot tuottaa elektronin neutriinoja. Maassa tehtyjen tutkimusten mukaan saapuvien elektronin neutriinojen määrä on vain 1/3 odotusarvosta. Arthur B. McDonaldin johtaman työn tuloksena pystyttiin siis osoittamaan, että elektronien maku muuttuu matkallaan Auringosta Maahan.