Peeblesowi Nobel należał się jak psu kość!

Osiągnięcia Jima Peeblesa w stworzeniu i rozwijaniu teorii kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, a także w innych działach kosmologii, z pewnością zasługują na Nagrodę Nobla.

Jim Peebles (fot. Juan Diego Soler)

Cieszę się, że w tym roku Nobla z fizyki przyznano Jimowi Peeblesowi. Od dawna uważałem, że komu jak komu, ale właśnie jemu ta nagroda szczególnie się należała. Dlaczego? Oto cała historia.

Kiedy ksiądz Georges Lemaître wysunął hipotezę Wielkiego Wybuchu (on sam nazywał go „Pierwotnym Atomem”), a odkryta przez Edwina Hubble’a ucieczka galaktyk stała się mocnym argumentem na jej poparcie, naukowcy zaczęli się zastanawiać nad jej konsekwencjami. W końcu lat 40. ubiegłego wieku George Gamow i jego współpracownicy stwierdzili, że w pierwszych fazach istnienia Wszechświat musiał być bardzo gorący i wypełniony promieniowaniem. Promieniowanie to, będące świadkiem najwcześniejszych epok życia Wszechświata, powinno przetrwać do dzisiaj, ale wskutek ekspansji przestrzeni jego temperatura znacznie spadła.

Na początku lat 60. ten sam problem zaatakowała grupa z Princeton, kierowana przez Roberta Dickego. Dicke był jednym z ostatnich fizyków zajmujących się zarówno doświadczeniami, jak i teorią. Doszedł on do wniosku, że istniejące techniki radioastronomiczne są na tyle czułe, by wykryć promieniowanie pochodzące z Wielkiego Wybuchu (czyli, zgodnie z dzisiejszą terminologią, kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła), polecił więc Peterowi Rollowi i Davidowi Wilkinsonowi zbudowanie odpowiedniej anteny mikrofalowej (miała pracować na długości 3,2 cm), a dwudziestoparoletniemu wówczas Peeblesowi pomyśleć nad konsekwencjami teoretycznymi. Roll i Wilkinson zabrali się za konstruowanie anteny, a Peebles za obliczenia. Wyszło mu, że promieniowanie ma mieć widmo promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze około 10 stopni powyżej zera absolutnego (czyli 10 kelwinów). Ta wartość była jednak niepewna, gdyż zależała od słabo znanej wartości średniej gęstości Wszechświata. Peebles zaczął pisać artykuł, ale jeszcze zanim go skończył, wygłosił na Johns Hopkins University seminarium o swoich wynikach.

W tym samym czasie w Bell Telephone Laboratories w New Jersey zatrudnionych było dwóch radioastronomów: Arno Penzias i Robert Wilson. Pracowali oni z anteną specjalnie stworzoną do rejestracji fal o długości 7,35 cm, odbijanych od satelity telekomunikacyjnego Echo. Kiedy projekt Echo został zarzucony, Penziasowi i Wilsonowi pozwolono używać anteny do badań czysto naukowych, czyli do obserwacji kosmicznych źródeł promieniowania radiowego.

Zanim to jednak nastąpiło, trzeba było przeprowadzić kalibrację instrumentu i wyeliminować wszelkie możliwe zakłócenia. Gdy naukowcy tego dokonali, okazało się, że nadal pozostaje szum nadchodzący równomiernie ze wszystkich stron nieba. Stwierdzili, że mógłby on odpowiadać promieniowaniu o temperaturze 3,1(±1) kelwina. Penzias i Wilson nie mieli pojęcia, skąd on pochodzi.

Wilson i Penzias przed swą anteną w Bell Labs

Tak się złożyło, że seminarium Peeblesa wysłuchał inny radioastronom, który był kolegą kolegi Penziasa. Do Penziasa i Wilsona dotarła więc pocztą pantoflową informacja, że źródłem ich kłopotów może być kosmiczne promieniowanie tła. Penzias zadzwonił do Dickego, a ten wraz ze swą grupą udał się do Bell Laboratories. Po dyskusjach, do czasopisma The Astrophysical Journal zdecydowano się wysłać dwa artykuły. W pierwszym, autorstwa Dickego, Peeblesa, Rolla i Wilkinsona, przedstawiono teorię mikrofalowego promieniowania tła, wspomniano, że w Princeton właśnie budowana jest antena do jego rejestracji, oraz że pomiary przeprowadzone w Bell Laboratories wskazują na jego istnienie. Penzias i Wilson, którzy wówczas nie byli jeszcze przekonani o poprawności tej interpretacji, napisali tylko artykuł o samych wynikach pomiarów, dodając jedynie na zakończenie, że możliwe wytłumaczenie przedstawili Dicke i współpracownicy. Obie prace ukazały się obok siebie w 1965 roku.

W kilka miesięcy później Roll i Wilkinson za pomocą swojej anteny również wykryli promieniowanie tła. Zmierzona przez nich temperatura to 3(±0,5) kelwiny. Wynik ten stał w pełnej zgodzie z pomiarami Penziasa i Wilsona. Następnie inne grupy badaczy uzyskiwały podobne wyniki. (Obecnie za wartość temperatury promieniowania tła przyjmuje się 2,72548±0,00057 K).

Odkrycie promieniowania tła miało niezwykłe znaczenie, gdyż było niezależnym od ucieczki galaktyk potwierdzeniem teorii Wielkiego Wybuchu. Nic więc dziwnego, że w 1978 roku uhonorowane zostało Nagrodą Nobla. Zamiast Dickego i Peeblesa otrzymali ją jednak… Penzias i Wilson!

Trzeba uczciwie przyznać, że ówcześni laureaci tej nagrody wykazali się niezwykłą skrupulatnością w prowadzeniu badań. Rozważali absolutnie wszystkie ewentualne źródła szumu, o jakich można było pomyśleć. Dla przykładu, wyeliminowali możliwość, że pochodzi on od… odchodów, jakie gołębie pozostawiły na antenie. Po pewnym czasie wykorzystali także inną antenę, dzięki której mogli potwierdzić wyniki pomiarów przeprowadzonych za pomocą pierwszego instrumentu. Sądzę, że Penzias i Wilson dostali Nobla właśnie za tę skrupulatność.

W późniejszych latach Peebles kontynuował badania teoretyczne promieniowania tła i opracował szczegółowe metody jego analizowania. Zajmował się też problemem jego anizotropii. Już wyjaśniam, o co chodzi.

Jak wspomniałem wcześniej, promieniowanie tła dolatuje do nas równomiernie ze wszystkich stron; astronomowie mówią, że jest ono izotropowe. Świadczy to o tym, że materia, która je wyemitowała prawie 14 miliardów lat temu, też musiała być rozłożona równomiernie. Z drugiej strony wiemy jednak, że obecnie tak nie jest: istnieją przecież galaktyki i wielkie puste obszary pomiędzy nimi. Co więcej, obserwujemy galaktyki bardzo stare, które istniały już kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. To jasne, że aby tak wielkie stwory mogły się rozwinąć, potrzeba czasu, a zatem drobne zalążki (czyli zgęszczenia materii), z jakich powstały galaktyki, musiały już istnieć w epoce, w której wyemitowane zostały fotony promieniowania tła. A zatem zalążki te powinny pozostawić jakieś „odciski palców” na mapie promieniowania tła. Te odciski palców to malutkie różnice (czyli anizotropie) temperatury na różnych obszarach nieba.

Peebles oraz inni teoretycy obliczyli, jaką wartość powinna mieć amplituda tych różnic, i jak duże obszary nieba powinny te anizotropie zajmować. W 1989 roku wystrzelono satelitę COBE (COsmic Background Explorer) przeznaczonego specjalnie do wykrycia anizotropii temperatury kosmicznego promieniowania tła. Projektem kierowali John Mather i George Smoot. I faktycznie, COBE zarejestrował anizotropię temperatury na poziomie jednej stutysięcznej – właśnie taką, jaką przewidzieli Peebles i inni:

Mapa nieba anizotropii promieniowania tła otrzymana przez COBE

Wynik ten również był bardzo ważny – może nie aż tak ważny, jak samo odkrycie promieniowania tła, pozwolił jednak stwierdzić, że nasze rozumienie ewolucji Wszechświata jest poprawne (przynajmniej w ogólnym zarysie). Dlatego i on został uhonorowany Noblem. W 2006 roku dostali go… Mather i Smoot! Za, cytuję: „odkrycie, że kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła ma postać promieniowania ciała doskonale czarnego i za odkrycie anizotropii tego promieniowania”.

Rozumiecie chyba teraz, dlaczego tak bardzo się denerwowałem, że Peeblesa dotąd pomijano przy Noblach. Penzias i Wilson otrzymali nagrodę za odkrycie czegoś, czego nie rozumieli, a znaczenie ich odkrycia wyjaśnił im dopiero Peebles. Mather i Smoot co prawda wiedzieli wcześniej, co mają zarejestrować, ale do wykonania pomiarów skłoniły ich wcześniejsze prace Peeblesa…

W tym miejscu nie mogę powstrzymać się od przytoczenia pewnej ciekawostki, niezbyt związanej z tematem notki. Smootowi pieniądze za Nobla najwyraźniej nie wystarczyły, gdyż w 2009 roku wziął udział w teleturnieju Czy jesteś mądrzejszy od 5-klasisty? i wygrał w nim główną nagrodę – milion dolarów.

Peebles nie zajmował się wyłącznie promieniowaniem tła. Pracował także nad pierwotną nukleosyntezą (czyli powstawaniem jąder atomowych we wczesnym Wszechświecie), położył też podwaliny pod modele powstawania galaktyk. Napisał trzy podręczniki: Physical Cosmology, The Large-Scale Structure of the Universe i Principles of Physical Cosmology, z których każdy swego czasu był biblią kosmologów.

Dawno temu miałem okazję wysłuchać Peeblesa na seminarium, które wygłosił na MIT. Jego prelekcja zrobiła na mnie ogromne wrażenie: nigdy wcześniej ani nigdy później nie widziałem człowieka, który by mówił tak szybko i tak szybko zmieniał wyświetlane slajdy.