Nobelprijs voor een nieuwe blik op het heelal

Nobelprijs Dit jaar gaat de Nobelprijs voor Natuurkunde naar ontdekkingen die ons begrip van het universum voor altijd veranderd hebben.

Artist impression van de Jupiter-achtige gasplaneet rond de ster Pegasi 51. Deze planeet was in 1995 de eerste exoplaneet die rond een zonachtige ster werd ontdekt.
Artist impression van de Jupiter-achtige gasplaneet rond de ster Pegasi 51. Deze planeet was in 1995 de eerste exoplaneet die rond een zonachtige ster werd ontdekt. BEELD EPA

James Peebles – Eigenlijk had hij de prijs in 1978 al moeten krijgen

James Peebles van Princeton University zal zijn helft van de Nobelprijs ontvangen voor zijn hele kosmologische oeuvre. Hij zorgde ervoor dat de kosmologie, het onderzoek naar de evolutie van het heelal, een serieuze wetenschap werd. Voor de jaren 60 werkten tientallen mensen vooral aan een wiskundige beschrijving van het universum. Inmiddels is het een vakgebied waar duizenden natuur- en sterrenkundigen in werken en gigantische telescopen voor gebouwd worden.

Pas honderd jaar weten we dat het universum niet statisch is. Het begon met een oerknal en veranderde van een hete dichte soep van elementaire deeltjes in een lege ruimte met structuren van sterrenstelsels. Na bijna 400.000 jaar was deze hete brij ver genoeg afgekoeld dat zich atomen konden vormen. Sindsdien kon het licht vrij bewegen door de ruimte. Dat eerste licht is nog steeds meetbaar.

In 1978 werd de Nobelprijs uitgereikt aan Allan Penzias en Robert Wilson, die de kosmische achtergrondstraling voor het eerst maten. Dat was een toevalstreffer. Ze wisten niet wat het was. Degenen die de betekenis ervan konden verklaren en het bestaan begin jaren 60 zelfs al voorspeld hadden, waren Peebles en zijn promotor Bob Dickie. „Dat hij dit jaar de Nobelprijs krijgt, is meer dan terecht”, zegt kosmoloog Rien van de Weijgaert van de Rijksuniversiteit Groningen. „Het voelt voor mij als het rechtzetten voor het gemis van de prijs in 1978.”

Peebles heeft zich daarover nooit erg uitgesproken, vertelt van de Weijgaert. „Hij is echt een gentleman. Een vriendelijke en voorkomende man. Maar van iemand die in 1978 college volgde bij Peebles hoorde ik wel dat hij op de dag van de bekendmaking een geagiteerde indruk maakte. Het was duidelijk dat het hem raakte.”

Peebles realiseerde zich dat hij aan de hand van de kosmische achtergrondstraling kon achterhalen hoeveel materie er bij de oerknal was ontstaan. Daarnaast keek hij hoe vanuit dit prille begin uiteindelijk de huidige sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels konden ontstaan. Door dit werk werd hij een van de grondleggers van de theorie dat het universum slechts voor 5 procent bestaat uit materie zoals wij die kennen. Daarnaast zijn er donkere materie (26 procent) en donkere energie (69 procent).

Het bestaan van onbekende, donkere materie wordt sinds de jaren 30 vermoed. Hiermee werd de beweging van sterrenstelsels verklaard. In de jaren 80 stelde Peebles voor dat het bestaat uit zware, traag bewegende deeltjes. Het effect van die deeltjes vlak na de oerknal kan ook een rol gespeeld hebben bij het ontstaan van sterrenstelsels. Ook hield hij zich bezig met donkere energie. Hij blies in 1984 Albert Einsteins kosmologische constante nieuw leven in. Daarmee beschreef hij de ‘energie van de lege ruimte’ die een verklaring geeft voor de versnelde uitdijing van het heelal.

„Als er iemand is die het verdiende om de Nobelprijs te krijgen voor kosmologisch onderzoek, dan is Peebles het”, zegt ook Gianfranco Bertone van de Universiteit van Amsterdam. „Als je het als wetenschapper hebt over standing on the shoulders of giants dan is hij zeker een van de reuzen.”

Michel Mayor en Didier Queloz – Na hun eerste exoplaneet in 1995volgde een stortvloed aan planeten

De tweede helft van de natuurkundeprijs gaat naar onderzoek dat zich richt op een deel van dat schilfertje materie waar ons heelal uit bestaat. Maar wel een deel dat tot de verbeelding spreekt: planeten rondom andere sterren.

Die spannende, nieuwe werelden, waar in sciencefiction gretig over gespeculeerd wordt, kwamen in 1995 een stapje dichtbij. Toen maakten de Zwitserse sterrenkundigen Michel Mayor en Didier Queloz bekend dat ze voor het eerst een exoplaneet hadden waargenomen rondom een zonachtige ster. Het ging om planeet 51 Pegasi b, die op vijftig lichtjaar bij ons vandaan dicht om een ster in het sterrenbeeld Pegasus draait. Het is een gasplaneet, ongeveer zo groot als Jupiter.

Dat er exoplaneten rondom andere zonachtige sterren bestaan was destijds geen verrassing. Het leek waarschijnlijk en er werd al langer naar gezocht. Het was wél verrassend dat zo’n grote gasplaneet zo dicht om een ster kon bestaan. Jupiter doet ongeveer twaalf jaar over een rondje om de zon en andere sterrenkundigen die speuren naar exoplaneten zochten daarom naar vergelijkbare planetenstelsels. Mayor en Queloz durfden wel te zoeken naar exoplaneten die zich vreemd gedroegen en vonden zo Planeet 51 Pegasi b, die dichter bij haar ster staat dan Mercurius bij de zon en daarom slechts vier dagen over een rondje doet.

Een paar maanden na deze eerste ontdekking volgden er meer waarnemingen van exoplaneten om zonachtige sterren. Sindsdien zijn er meer dan 4.000 exoplaneten ontdekt.

„Ik vind de prijs helemaal terecht”, zegt hoogleraar Carsten Dominik van de Universiteit van Amsterdam. „Er is binnen de sterrenkunde wat discussie omdat er voor deze ontdekking al enkele planeetachtige objecten gevonden waren rondom een pulsar; een dode ster. Sommige vinden dat dat de Nobelprijs verdient. Maar ik zie de ontdekking van Mayor en Queloz echt als de start van het nieuwe onderzoekveld.”

Jayne Birkby, eveneens exoplaneetonderzoek bij de UvA, sluit zich daarbij aan. Zij noemt het planetenstelsel bij de pulsar een kerkhof terwijl er met de techniek van Mayor en Queloz gekeken kan worden naar stelsels in de bloei van hun leven.

„Deze eerste ontdekking zorgde voor een stortvloed van ontdekkingen”, vervolgt Birkby. „De meettechniek die ze gebruiken is waardevol. Daarmee kan niet alleen vastgesteld worden dat er een planeet is, maar ook wat de minimale massa is.”

Die techniek kijkt niet direct naar de exoplaneet. Omdat planeten niet of nauwelijks licht uitstralen is het extreem lastig ze op lichtjaren afstand waar te nemen. Daarom keken de Nobelprijswinnaars naar de beweging van de bijbehorende ster. De ster wiebelt een beetje doordat hij aangetrokken wordt door zwaartekracht van de planeet. Die beweging zorgt voor kleine variaties in het licht dat de ster uitzendt. Door die variaties te analyseren konden ze de aanwezigheid van een planeet aantonen.

Deze techniek wordt nog steeds gebruikt in het exoplanetenonderzoek. De methoden en telescopen worden steeds beter waardoor er steeds nieuwe exoplaneten gevonden worden. De komende jaren zullen we nog meer te weten komen, bijvoorbeeld ook over de atmosfeer van deze nieuwe werelden, voorspelt Birkby.