Den kanadensisk-amerikanske kosmologen James Peebles och de schweiziska astronomerna Michel Mayor och Didier Queloz vann i tisdags Nobelpriset i fysik för forskning som ökar förståelsen för vår plats i universum.

Peebles vann hälften av priset "för teoretiska upptäckter som har bidragit till vår förståelse av hur universum utvecklades efter Big Bang, Professor Göran Hansson, generalsekreterare för Kungliga Vetenskapsakademien, berättade för en presskonferens.

Borgmästare och Queloz delade den andra halvan för den första upptäckten, i oktober 1995, av en planet utanför vårt solsystem – en exoplanet – som kretsar kring en solliknande stjärna i Vintergatan.

"Deras upptäckter har för alltid förändrat våra uppfattningar om världen, ", sa juryn.

Utvecklad över två decennier sedan mitten av 1960-talet, Peebles teoretiska ramverk är "grunden för våra samtida idéer om universum".

Peebles byggde på Albert Einsteins arbete om universums ursprung genom att se tillbaka till årtusenden omedelbart efter Big Bang, när ljusstrålar började skjuta ut i rymden.

Med hjälp av teoretiska verktyg och beräkningar, han drog en koppling mellan temperaturen på den strålning som sänds ut efter Big Bang och mängden materia den skapade.

"Okänd sak"

Hans arbete visade att saken är känd för oss - såsom stjärnor, planeter, och vi själva – utgör bara fem procent av universum, medan de andra 95 procenten består av "okänd mörk materia och mörk energi".

I en telefonintervju, Peebles sa att vad dessa element faktiskt är är fortfarande en öppen fråga.

"Även om teorin är mycket grundligt testad, vi måste fortfarande erkänna att mörk materia och mörk energi är mystiska, Sa Peebles.

Talade vid Princeton University senare, han tillade att hans idéer inte var det "slutliga svaret".

"Vi kan vara mycket säkra på att när vi upptäcker nya aspekter av det expanderande och utvecklande universum, vi kommer att bli förvånade och förvånade igen, " han sa.

Peebles, 84, är Albert Einstein professor i vetenskap vid Princeton University i USA, medan borgmästare, 77, och Queloz, 53, är professorer vid universitetet i Genève. Queloz arbetar även vid University of Cambridge i Storbritannien.

Med hjälp av skräddarsydda instrument vid deras observatorium i södra Frankrike i oktober 1995, Mayor och Queloz kunde upptäcka en gasboll som liknar Jupiter, kretsar kring en stjärna 50 ljusår från vår egen sol.

Utnyttja ett fenomen som kallas dopplereffekten, som ändrar ljusets färg beroende på om ett föremål närmar sig eller drar sig tillbaka från jorden, paret bevisade planeten, känd som 51 Pegasus b, kretsade runt sin stjärna.

'Toppen av isberget'

"Konstiga nya världar upptäcks fortfarande, "noterade Nobeljuryn, utmanar våra förutfattade meningar om planetsystem och "tvingar forskare att revidera sina teorier om de fysiska processerna bakom planeternas ursprung".

Borgmästare var professor vid universitetet i Genève och Queloz var hans doktorand när de gjorde sin upptäckt som "startade en revolution inom astronomi, "och sedan dess över 4, 000 exoplaneter har hittats i vår hemgalax.

"Det vi upptäckte för 25 år sedan var bara toppen av isberget, " sa Queloz till AFP.

Nyheten om priset var en chock för Queloz, även om andra hade spekulerat att deras upptäckt var värd äran.

"När vi gjorde upptäckten, väldigt tidigt sa många människor till mig att det kommer att bli en upptäckt av Nobelpriset. I 25 år fortsatte folk att säga detta och någon gång sa jag bara att det här inte kommer att vinna något Nobelpris trots allt, " han sa.

Priset består av en guldmedalj, ett diplom och summan av nio miljoner svenska kronor (cirka 914 dollar, 000 eller 833, 000 euro).

Trion tar emot priset av kung Carl XVI Gustaf vid en högtidlig ceremoni i Stockholm den 10 december, årsdagen för forskaren Alfred Nobels död 1896 som skapade priserna i sitt sista testamente.

Under 2018, äran gick till Arthur Ashkin från USA, Gerard Mourou från Frankrike och Donna Strickland från USA för laseruppfinningar som används för avancerade precisionsinstrument inom korrigerande ögonkirurgi och inom industrin.

Årets Nobelsäsong inleddes på måndagen med medicinpriset till amerikanerna William Kaelin och Gregg Semenza, och Storbritanniens Peter Ratcliffe.

De hedrades för forskning om hur mänskliga celler känner av och anpassar sig till förändrade syrenivåer, vilket öppnar upp för nya strategier för att bekämpa sådana sjukdomar som cancer och anemi.

Vinnarna av årets kemipris offentliggörs på onsdag.

Litteraturpriset kommer på torsdag kl. med två pristagare som ska krönas efter att en skandal om sexuella trakasserier tvingade Svenska Akademien att skjuta upp priset 2018, för första gången på 70 år.

På fredagen flyttas åtgärden till Norge där fredspriset delas ut, med bookmakare som stöder den svenska tonårsklimataktivisten Greta Thunberg.

Ekonomipriset avslutar Nobelsäsongen på måndag, 14 oktober.

---

Pressmeddelande:Nobelpriset i fysik 2019

Kungliga Vetenskapsakademien har beslutat att dela ut Nobelpriset i fysik 2019

"för bidrag till vår förståelse av universums utveckling och jordens plats i kosmos"

med en halv till

James Peebles
Princeton Universitet, USA

"för teoretiska upptäckter inom fysisk kosmologi"

och andra hälften gemensamt till

Michel borgmästare
University of Geneva, Schweiz

och

Didier Queloz
Universitetet i Genève, Schweiz
Universitetet i Cambridge, Storbritannien

"för upptäckten av en exoplanet som kretsar kring en stjärna av soltyp"

Nya perspektiv på vår plats i universum

Årets Nobelpris i fysik belönar ny förståelse för universums struktur och historia, och den första upptäckten av en planet som kretsar kring en stjärna av soltyp utanför vårt solsystem.

James Peebles insikter i fysisk kosmologi har berikat hela forskningsfältet och lagt en grund för omvandlingen av kosmologi under de senaste femtio åren, från spekulation till vetenskap. Hans teoretiska ram, utvecklats sedan mitten av 1960-talet, är grunden för våra samtida idéer om universum.

Big Bang-modellen beskriver universum från dess allra första ögonblick, för nästan 14 miljarder år sedan, när det var extremt varmt och tätt. Sedan dess, universum har expanderat, blir större och kallare. Knappt 400, 000 år efter Big Bang, universum blev genomskinligt och ljusstrålar kunde färdas genom rymden. Även i dag, denna uråldriga strålning finns runt omkring oss och, kodade in i den, många av universums hemligheter gömmer sig. Med hjälp av sina teoretiska verktyg och beräkningar, James Peebles kunde tolka dessa spår från universums barndom och upptäcka nya fysiska processer.

Resultaten visade oss ett universum där bara fem procent av dess innehåll är känt, materien som utgör stjärnor, planeter, träd – och vi. Resten, 95 procent, är okänd mörk materia och mörk energi. Detta är ett mysterium och en utmaning för modern fysik.

I oktober 1995 Michel Mayor och Didier Queloz tillkännagav den första upptäckten av en planet utanför vårt solsystem, en exoplanet, kretsar kring en stjärna av soltyp i vår hemgalax, Vintergatan. Vid Haute-Provence-observatoriet i södra Frankrike, med hjälp av skräddarsydda instrument, de kunde se planeten 51 Pegasi b, en gasboll jämförbar med solsystemets största gasjätte, Jupiter.

Denna upptäckt startade en revolution inom astronomi och över 4, 000 exoplaneter har sedan dess hittats i Vintergatan. Konstiga nya världar upptäcks fortfarande, med en otrolig mängd storlekar, former och banor. De utmanar våra förutfattade idéer om planetsystem och tvingar forskare att revidera sina teorier om de fysiska processerna bakom planetenas ursprung. Med många planerade projekt för att börja leta efter exoplaneter, vi kan så småningom hitta ett svar på den eviga frågan om det finns något annat liv där ute.

Årets pristagare har förändrat våra idéer om kosmos. Medan James Peebles teoretiska upptäckter bidrog till vår förståelse av hur universum utvecklades efter Big Bang, Michel Mayor och Didier Queloz utforskade våra kosmiska stadsdelar på jakt efter okända planeter. Deras upptäckter har för alltid förändrat våra uppfattningar om världen.

---

Populärvetenskaplig bakgrund

Nya perspektiv på vår plats i universum

Nobelpriset i fysik 2019 belönar ny förståelse för universums struktur och historia, och den första upptäckten av en planet som kretsar runt en stjärna av soltyp utanför vårt solsystem. Årets pristagare har bidragit till att svara på grundläggande frågor om vår existens. Vad hände i universums tidiga barndom och vad hände sedan? Kan det finnas andra planeter där ute, kretsar kring andra solar?

James Peebles tog sig an kosmos, med sina miljarder galaxer och galaxhopar. Hans teoretiska ram, som han utvecklade under två decennier, från mitten av 1960-talet, är grunden för vår moderna förståelse av universums historia, från Big Bang till idag. Peebles upptäckter har lett till insikter om vår kosmiska omgivning, där känd materia bara utgör fem procent av all materia och energi som finns i universum. Resterande 95 procent är gömda för oss. Detta är ett mysterium och en utmaning för modern fysik.

Michel Mayor och Didier Queloz har utforskat vår hemgalax, Vintergatan, letar efter okända världar. 1995, de gjorde den allra första upptäckten av en planet utanför vårt solsystem, en exoplanet, som kretsar kring en stjärna av soltyp. Deras upptäckt utmanade våra idéer om dessa konstiga världar och ledde till en revolution inom astronomi. De fler än 4, 000 kända exoplaneter är överraskande i sin rikedom av former, eftersom de flesta av dessa planetsystem inte ser ut som våra egna, med solen och dess planeter. Dessa upptäckter har fått forskare att utveckla nya teorier om de fysiska processer som är ansvariga för planets födelse.

Big Bang-kosmologin börjar

De senaste fem decennierna har varit en guldålder för kosmologi, studiet av universums ursprung och evolution. På 1960 -talet, en grund lades som skulle flytta kosmologi från spekulation till vetenskap. Nyckelpersonen i denna övergång var James Peebles, vars avgörande upptäckter sätter kosmologin fast på den vetenskapliga kartan, berika hela forskningsfältet. Hans första bok, Fysisk kosmologi (1971), inspirerade en helt ny generation fysiker att bidra till ämnets utveckling, inte bara genom teoretiska överväganden utan med observationer och mätningar. Vetenskapen och inget annat skulle svara på de eviga frågorna om var vi kommer ifrån och vart vi är på väg; kosmologin befriades från mänskliga begrepp som tro och mening. Detta ekar Albert Einsteins ord från början av förra seklet, om hur mysteriet med världen är dess begriplighet.

Berättelsen om universum, en vetenskaplig berättelse om evolutionen av kosmos, har bara varit känd under de senaste hundra åren. Innan detta, universum hade betraktats som stationärt och evigt, men på 1920 -talet upptäckte astronomer att alla galaxer rör sig bort från varandra och från oss. Universum växer. Vi vet nu att universum i dag är annorlunda än igår och att det kommer att vara annorlunda i morgon.

Det som astronomerna såg i himlen hade redan förutspåtts av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori från 1916, den som nu är grunden för alla storskaliga beräkningar om universum. När Einstein upptäckte att teorin ledde till slutsatsen att rymden expanderar, han lade till en konstant till sina ekvationer (den kosmologiska konstanten) som skulle motverka gravitationens effekter och få universum att stå stilla. Över ett decennium senare, när universums expansion hade observerats, denna konstant var inte längre nödvändig. Einstein betraktade detta som hans livs största blunder. Föga anade han att den kosmologiska konstanten skulle göra en magnifik återgång till kosmologin på 1980-talet, inte minst genom bidragen från James Peebles.

Universums första strålar avslöjar allt

Universums expansion innebär att det en gång var mycket tätare och varmare. I mitten av 1900-talet, dess födelse fick namnet Big Bang. Ingen vet vad som egentligen hände i början, men det tidiga universum var fullt av en kompakt, varm och ogenomskinlig partikelsoppa med lätta partiklar, fotoner, bara studsade runt.

Det tog nästan 400, 000 år för expansion för att kyla denna ursoppa till några tusen grader Celsius. De ursprungliga partiklarna kunde kombinera, bildar en transparent gas som huvudsakligen bestod av väte- och heliumatomer. Fotoner började nu röra sig fritt och ljus kunde färdas genom rymden. Dessa första strålar fyller fortfarande kosmos. Utvidgningen av rymden sträckte ut de synliga ljusvågorna så att de hamnade i intervallet av osynliga mikrovågor, med en våglängd på några millimeter.

Glödet från universums födelse fångades först av en slump, år 1964, av två amerikanska radioastronomer:1978 års Nobelpristagare Arno Penzias och Robert Wilson. De kunde inte bli av med det ständiga "buller" som deras antenn plockade upp överallt i rymden, så de letade efter en förklaring i andra forskares arbete, inklusive James Peebles, som hade gjort teoretiska beräkningar av denna allestädes närvarande bakgrundsstrålning. Efter nästan 14 miljarder år, dess temperatur har sjunkit nära absolut noll (–273°C). Det stora genombrottet kom när Peebles insåg att strålningens temperatur kunde ge information om hur mycket materia som skapades i Big Bang, och förstod att frisläppandet av detta ljus spelade en avgörande roll för hur materia senare kunde klumpa ihop sig för att bilda de galaxer och galaxkluster som vi nu ser i rymden.

Upptäckten av mikrovågsstrålning inledde den nya eran av modern kosmologi. Den uråldriga strålningen från universums barndom har blivit en guldgruva som innehåller svaren på nästan allt kosmologer vill veta. Hur gammalt är universum? Vad är dess öde? Hur mycket materia och energi finns det?

Forskare kan hitta spår av universums allra första ögonblick i detta kalla eftersken, tiny variations propagating as soundwaves through that early primordial soup. Without these small variations, the cosmos would have cooled from a hot ball of fire to a cold and uniform emptiness. We know that this did not happen, that space is full of galaxies, often gathered in galaxy clusters. The background radiation is smooth in the same way that the ocean's surface is smooth; the waves are visible close up, ripples that reveal the variations in the early universe.

Time after time, James Peebles has led the interpretation of these fossil traces from the earliest epochs of the universe. With astounding accuracy, cosmologists were able to predict variations in the background radiation and show how they affect the matter and energy in the universe.

The first major observational breakthrough came in April 1992, when principal investigators at the American COBE satellite project presented an image of the first rays of light in the universe (Nobel Prize in Physics 2006 to John Mather and George Smoot). Other satellites, the American WMAP and European Planck, gradually refined this portrait of the young universe. Exactly as predicted, the background radiation's otherwise even temperature varied by one hundred-thousandth of a degree. With increasing precision, the theoretical calculations of the matter and energy contained in the universe were confirmed, with the majority of it, 95 per cent, invisible to us.

Dark matter and dark energy – cosmology's greatest mysteries

Since the 1930s, we have known that all we can see is not all there is. Measurements of galaxies' rotational speeds indicated that they must be held together by gravity from invisible matter, otherwise they would be torn apart. It was also thought that this dark matter played an important role in the origin of galaxies, long before the primordial soup relaxed its hold on the photons.

The composition of dark matter remains one of cosmology's greatest mysteries. Scientists long believed that already-known neutrinos could constitute this dark matter, but the unimaginable numbers of low-mass neutrinos that cross space at almost the speed of light are far too fast to help hold matter together. Istället, in 1982, Peebles proposed that heavy and slow particles of cold dark matter could do the job. We are still searching for these unknown particles of cold dark matter, which avoid interacting with already known matter and comprise 26 per cent of the cosmos.

According to Einstein's general theory of relativity, the geometry of space is interconnected with gravity – the more mass and energy the universe contains, the more curved space becomes. At a critical value of mass and energy, the universe does not curve. This type of universe, in which two parallel lines will never cross, is usually called flat. Two other options are a universe with too little matter, which leads to an open universe in which parallel lines eventually diverge, or a closed universe with too much matter, in which parallel lines will ultimately cross.

Measurements of cosmic background radiation, as well as theoretical considerations, provided a clear answer – the universe is flat. Dock, the matter it contains is only enough for 31 per cent of the critical value, of which 5 per cent is ordinary matter and 26 per cent is dark matter. Most of it, 69 per cent, was missing. James Peebles once again provided a radical solution. In 1984, he contributed to reviving Einstein's cosmological constant, which is the energy of empty space. This has been named dark energy and fills 69 per cent of the cosmos. Along with cold dark matter and ordinary matter, it is enough to support the idea of a flat universe.

Dark energy remained just a theory for 14 years, until the universe's accelerating expansion was discovered in 1998 (Nobel Prize in Physics 2011 to Saul Perlmutter, Brian Schmidt and Adam Riess). Something other than matter must be responsible for the increasingly rapid expansion – an unknown dark energy is pushing it. Suddenly, this theoretical addendum became a reality that could be observed in the heavens.

Both dark matter and dark energy are now among the greatest mysteries in cosmology. They only make themselves known through the impact they have on their surroundings – one pulls, the other pushes. Annat, not much is known about them. What secrets are concealed in this dark side of the universe? What new physics is hidden behind the unknown? What else will we discover in our attempts to solve the mysteries of space?

The first planet orbiting another sun

Most cosmologists now agree that the Big Bang model is a true story about the origin and development of the cosmos, despite only five per cent of its matter and energy now being known. This tiny slice of matter eventually clumped together to make everything we see around us – stars, planeter, trees and flowers, and humans too. Are we alone in gazing out on the cosmos? Is there life anywhere else in space, on a planet orbiting another sun? No one knows. But we now know that our Sun is not alone in having planets, and that most of the several hundred billion stars in the Milky Way should also have accompanying planets. Astronomers now know of more than 4, 000 exoplanets. Strange new worlds have been discovered, nothing like our own planetary system. The first was so peculiar that almost no one believed it was true; the planet was too big to be so close to its host star.

Michel Mayor and Didier Queloz announced their sensational discovery at an astronomy conference in Florence, Italien, on 6 October 1995. It was the first planet proven to be orbiting a solar-type star. The planet, 51 Pegasi b, moves rapidly around its star, 51 Pegasi, which is 50 light years from the Earth. It takes four days to complete its orbit, which means that its path is close to the star – only eight million kilometres from it. The star heats the planet to more than 1, 000°C. Things are considerably calmer on Earth, which has a year-long orbit around the Sun at a distance of 150 million kilometres.

The newly discovered planet also turned out to be surprisingly large – a gaseous ball that is comparable to the solar system's biggest gas giant, Jupiter. Compared to the Earth, Jupiter's volume is 1, 300 times greater and it weighs 300 times as much. According to previous ideas about how planetary systems are formed, Jupiter-sized planets should have been created far from their host stars, and consequently take a long time to orbit them. Jupiter takes almost 12 years to complete one circuit of the Sun, so 51 Pegasi b's short orbital period was a complete surprise to exoplanet hunters. They had been looking in the wrong place.

Almost immediately after this revelation, two American astronomers, Paul Butler and Geoffrey Marcy, turned their telescope towards the star 51 Pegasi and were soon able to confirm Mayor and Queloz's revolutionary discovery. Just a few months later they found two new exoplanets orbiting solar-type stars. Their short orbital periods were handy for astronomers who did not need to wait months or years to see an exoplanet orbit its sun. Now they had time to watch the planets take one lap after another.

How had they got so close to the star? The question challenged the existing theory of planetary origins and led to new theories that described how large balls of gas were created at the edges of their solar systems, then spiralled inward towards the host star.

Refined methods led to the discovery

Sophisticated methods are necessary to track an exoplanet – planets do not glow by themselves, they simply reflect the starlight so weakly that their glow is smothered by the bright light of the host star. The method used by research groups to find a planet is called the radial velocity method; it measures the movement of the host star as it is affected by the gravity of its planet. As the planet orbits around its star, the star also moves slightly – they both move around their common centre of gravity. From the observation point on Earth, the star wobbles backwards and forwards in the line of sight.

The speed of this movement, the radial velocity, can be measured using the well-known Doppler effect – light rays from an object moving towards us are bluer and, if the object is moving away from us, the rays are redder. This is the same effect we hear when the sound of an ambulance increases in pitch as it moves towards us and decreases in pitch when the ambulance has passed.

The effect of the planet thus alternately changes the colour of the star's light towards blue or red; it is these alterations in the wavelength of the light that astronomers capture with their instruments. The changes in colour can be precisely determined by measuring the star's light wavelengths, providing a direct measure of its velocity in the line of sight.

The biggest challenge is that the radial velocities are extremely low. Till exempel, Jupiter's gravity makes the Sun move at about 12 m/s around the solar system's centre of gravity. The Earth contributes just 0.09 m/s, which places extraordinary demands on the equipment's sensitivity if Earth-like planets are to be discovered. To increase precision, astronomers measure several thousand wavelengths simultaneously. The light is divided into the various wavelengths using a spectrograph, which is at the heart of these measurements.

In the early 1990s, when Didier Queloz started his research career at the University of Geneva, Michel Mayor had already spent many years studying the movement of the stars, constructing his own measuring instruments with the help of other researchers. In 1977, Mayor was able to mount his very first spectrograph on a telescope at the Haute-Provence Observatory, 100 km northeast of Marseille. This allowed a lower limit of velocities around 300 m/s, but this was still too high to see a planet pulling on its star.

Along with the research group, doctoral student Didier Queloz was asked to develop new methods for more precise measurements. They utilised numerous new technologies that made it possible to look rapidly at many stars and analyse the results on site. Optical fibres could carry the starlight to the spectrograph without distorting it and better digital image sensors, CCDs, increased the machine's light sensitivity (Nobel Prize in Physics 2009 to Charles Kao, Willard Boyle and George Smith). More powerful computers allowed scientists to develop custom-made software for digital image and data processing.

When the new spectrograph was finished in the spring of 1994, the necessary velocity sank to 10–15 m/s and the first discovery of an exoplanet was fast approaching. Vid den tiden, the search for exoplanets was not part of mainstream astronomy, but Mayor and Queloz had decided to announce their discovery. They spent several months refining their results and, in October 1995, they were ready to present their very first planet to the world.

A multitude of worlds is revealed

The first discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star started a revolution in astronomy. Thousands of unknown new worlds have been revealed. New planetary systems are now not only being discovered by telescopes on Earth, but also from satellites. TESS, an American space telescope, is currently scanning more than 200, 000 of the stars closest to us, hunting for Earth-like planets. Tidigare, the Kepler Space Telescope had brought rich rewards, finding more than 2, 300 exoplanets.

Along with variations in radial velocity, transit photometry is now used when searching for exoplanets. This method measures changes in the intensity of the star's light when a planet passes in front of it, if this happens in our line of sight. Transit photometry also allows astronomers to observe the exoplanet's atmosphere as light from the star passes it on the way towards Earth. Sometimes both methods can be used; transit photometry provides the size of the exoplanet, while its mass can be determined using the radial velocity method. It is then possible to calculate the exoplanet's density and thus determine its structure.

The exoplanets so far discovered have surprised us with an astounding variety of forms, sizes and orbits. They have challenged our preconceived ideas about planetary systems and forced researchers to revise their theories about the physical processes responsible for the birth of planets. With numerous projects planned to start searching for exoplanets, we may eventually find an answer to the eternal question of whether other life is out there.

This year's Laureates have transformed our ideas about the cosmos. While James Peebles' theoretical discoveries contributed to our understanding of how the universe evolved after the Big Bang, Michel Mayor and Didier Queloz explored our cosmic neighbourhoods on the hunt for unknown planets. Their discoveries have forever changed our conceptions of the world.

© 2019 AFP