Academic CentreNobela prēmija fizikā – kā astronomi to šogad nopelnīja?
Par pirmo Nobela prēmijas daļu, kas ir piešķirta Džeimsam Pīblsam, ir pastāstīt grūtāk, jo tie ir sarežģīti teorētiskie pētījumi. Tie attiecās uz to, kā Visums pašā sākumā radās, un kas notika pēc tam. Piemēram, zinātnieki 20. gadsimta 60. gados sāka spriest par to, ka Visums sākumā bijis karsts, pēc tam izpleties un atdzisis, un jau spēja izrēķināt, kādi ir sagaidāmie ķīmiskie elementi, un kādas būs to masas attiecības. Pīblss jau tajā laikā sāka piedalīties šajos darbos. 1964. gadā viņš bija tajā grupā, kas paredzēja, ka šajā Visuma izplešanās procesā vienā brīdī jābūt kosmiskajam mikroviļņu fonam, kas ir tāds kā nospiedums vai nosacīts Visuma attēls no tiem ļoti senajiem laikiem, kad Visuma vecums bija tikai nepilni miljons gadi. Šobrīd, kā zināms, Visuma vecums ir 14 miljardi. Tas bija kā svarīgs paredzējums, kas eksperimentāli pavisam drīz apstiprinājās. Pīblss vēl ir sadarbojies ar dažādiem zinātniekiem, tai skaitā ar krievu zinātniekiem, neskatoties uz Auksto karu un dzelzs priekškaru. Zinātnei robežu nav. Viņš attīstīja idejas par to, kādām jābūt kosmiskā mikroviļņu fona starojuma īpašībām, ka tajā jābūt arī tādām pavisam niecīgām neviendabībām, kas arī tika paredzēts pirms tam un praktiski atklāts.
Kāpēc kosmiskais mikroviļņu starojums ir tik īpašs?
Izrādās, ka pētot, cik neviendabības mazas vai lielas, izdevās paredzēt, ka Visumā redzamā viela nav visa tā viela, kurai tur vajadzētu būt. Jābūt neredzamai jeb tumšajai matērijai, kā to sauc mūsdienās, un vēl kaut kam, kas mūsdienās nosaukts par tumšo enerģiju. Pīblss varbūt nav pats galvenais kosmologs, bet viņš visos šajos zinātnes attīstības posmos ir darbojies, un ļoti sekmīgi un radoši daudz ko ir paredzējis, kas pēc tam piepildījies. Viņš pats vēl minējis, ka tas viņam ir par mūža darbu un ieguldījumu. Pēc būtības tā tas arī ir. Viņš no 1965. gada līdz pat 1995. gadam jeb 30 gadus ir ļoti veiksmīgi darbojies astronomijā.
Ar kādām metodēm to ir iespējams izpētīt?
Pīblss ir teorētiķis. Iztēlosimies, ka viņš saka: „Pēc mūsu aprēķiniem, jābūt tādiem un tādiem rezultātiem.” Pēc tam fiziķi un astronomi veic mērījumus un bieži izrādās, ka tie apstiprinās, ka teorētiskie priekšstati ir pareizi un pakāpeniski attīstās. Un kā to var izpētīt? Ja agrāk to darīja ar atsevišķiem radio teleskopiem no zemes, tad mūsdienās labākais veids ir pavadoņi, kas ir kosmosā. Tādi ir bijuši trīs. Bija COBE, WMAP un Planck pavadonis – tas nosaukts zinātnieka fiziķa Marksa Planka vārdā. Ar šiem trim pavadoņiem kosmisko mikroviļņu fonu mērīja arvien precīzāk. Apmēram 30 gadu laikā, līdz apmēram pagājušā gadsimta beigām, jau bija teorija pamatīgi attīstījusies, un daudzi eksperimenti bija to apstiprinājuši.
Mūsdienās nāca arī pārsteigums, ka Visums paātrināti izplešas. Par šo atklājumu Nobela prēmija iedota 2011. gadā. Bet arī šajā jomā darbojās Pīblss – viņš izteica ideju, ka tur jābūt tādai tumšai enerģijai, kas šo izplešanās procesu varētu virzīt.
Un par teorētisko pētījumu – kas notika pēc Lielā Sprādziena?
Patiesībā daudzi cilvēki to tā arī uztver – kā tādu teoriju. Bet es gribu uzsvērt, ka teorijas posmos ir ļoti daudz eksperimentālu pierādījumu, daudzas teorētiķu hipotēzes ir arī apstiprinājušās. Tātad, kad radās kosmiskais mikroviļņu starojums, Visums izplešoties bija atdzisis līdz aptuveni 4000 grādu temperatūrai. Tā joprojām ir ļoti karsta plazma. Apmēram tikpat karsta kā uz Saules virsmas. Tādos apstākļos atsevišķi vēl lidoja atomu veidojošās sastāvdaļas – protoni un elektroni. Tie vēl nebija apvienojušies. Brīdī, kad temperatūra nokritās zem nosacīta sliekšņa, protoni sāka apvienoties ar elektroniem un izveidojās ūdeņraža atomi – kaut kas jau saprotamāks un cilvēkam pazīstamāks. Un papildus mainījās gāzes īpašības – tā kļuva caurspīdīga. No tā brīža, kad Visums kļuva caurspīdīgs, gaisma lidojusi uz visām pusēm, un tagad mēs to redzam. Tas bija aptuveni 300 000 gadus pēc Visuma veidošanās. Ja tobrīd tā bija gaisma no karstas spīdošas gāzes, tad Visuma izplešanās rezultātā tās starojums ir mainījies. Mūsdienās tas ir mikroviļņu diapazonā – gandrīz tajos pašos viļņos, kuros darbojas mūsu viedtālruņi un mikroviļņu krāsnis. To var detektēt ar radio teleskopiem.
Sākumā Visumā bija tikai šīs mazās daļiņas – protoni un elektroni, ūdeņraža atomi, hēlija atomi un vēl citas daļiņas, kā arī tumšā matērija, par kuru mēs vēl maz zinām. No tā brīža galvenais spēks bija gravitācija – tās iedarbībā gāze sāka dažviet saspiesties, veidojot zvaigznes, pēc tam apvienojoties arvien lielākās struktūrās, veidojās zvaigžņu sistēmas – galaktikas. 14 miljardu gadu laikā izveidojās tāda struktūra, kādu mēs tagad redzam pie debesīm vai teleskopā.
Kā tad galu galā ir – Visums ir bezgalīgs?
Varbūt. Tur tā problēma, ka mēs to skaidri nezinām. Ir dažas lietas, ko iespējams pateikt – mūsu Visums ir praktiski plakans tādā nozīmē, ka tajā ir pareiza Eiklīda ģeometrija. Piemēram, trijstūrī leņķu summa ir 180 grādu, un visticamāk, ka mūsu Visumā arī tas izpildās ar fantastisku precizitāti, bet teorētiski iespējami arī citi varianti. Tādā ziņā mūsu Visums varbūt ir neierobežots, tas spēj neierobežoti izplesties, taču to, ka tas ir bezgalīgs, neviens neņemas atbildēt.
Ja pieņemam, ka visums nav bezgalīgs. Kas ir ārpus tā?
Mūsdienās cilvēki jau ir aizdomājušies, aizfilozofējušies vēl tālāk, ka varbūt mūsu Visums nav vienīgais. Ka varbūt ārpus tā ir vēl citi Visumi. Nav izslēgts šāds variants. Taču diemžēl mēs dzīvojam šajā Visumā, un citus lielākajā daļā gadījumu nav un nebūs iespējams konstatēt. Ir dažas eksotiskākas idejas, piemēram, ka mēs tomēr varētu atklāt citu Visumu iedarbību uz mūsējo.
Sakiet, kādas sajūtas jūsos raisās, apzinoties, ka to nav un nebūs iespējams atklāt?
Ja es specifiski strādātu kā kosmologs, tad varbūt šī nasta būtu smagāka. Mani šis jautājums urda, bet nav tik traki. Astronomijā ir daudz jaunumu un lietu, kas tiek atklātas, pie šī ar domām atgriežos tikai pa reizēm.
Ar ko saistīta otrā daļa Nobela prēmijai fizikā?
Otra Nobela prēmijas puse ir piešķirta diviem eksoplanētu atklājējiem Mišelam Majoram un Didjē Kelozam. Viņi abi ir Šveices astronomi. 1995. gadā viņi konstatēja, ka vienai zvaigznei ārpus Saules sistēmas ir planēta. Tās planētas latviski var saukt par eksoplanētām vai citplanētām. Tas bija tāds pirmais solis. Šobrīd, līdz pat oktobrim šajā gadā, ir zināmas jau 4118 tādas planētas. Tas nozīmē, ka 25 gadu laikā ir sasniegti fantastiski panākumi šajā jomā. Tāpēc šī gada Nobela prēmija ir piešķirta par to, ka gan Pīblsa pētījumi, gan abu astronomu pētījumi iesāka divas jomas, kas būtiski paplašināja mūsu priekšstatus par pasauli. Viens par Visuma sākumu un otrs par planētām pie citām zvaigznēm. Viņu pētījumos zīmīgi ir tas, ka izmantotā metode bija zināma jau kādu laiku atpakaļ, bet tās izmantošanai bija nepieciešama precīza, jutīga aparatūra. Daudzi astronomi bija diezgan pesimistiski, ka citplanētas nebūs iespējams atklāt. Bet Didjē un Kelozs neļāvās šādam pesimismam, turpināja un uzlaboja savu aparatūru, līdz panāca, ka varēja to planētu pie citas zvaigznes detektēt. Un to pašu metodi, ko viņi izmantoja, lietoja citu planētu atkāšanai, bet pēc tam aktīvi lietoja arī citu metodi.
Pastāstiet, lūdzu, kādu metodi?
Pirmās metodes ideja ir tāda, ka jānovēro šīs zvaigznes spektrs. Caur prizmu ar teleskopu iegūst spektru, spektrā ir dažādas spektrālās līnijas. Tāda kā varavīksne, bet šajā gadījumā ar visādām tumšām līnijām. Tad ir nepieciešams izmērīt, ka līnijas mazlietiņ pārvietojas. Tās pārvietojas tādēļ, ka zvaigzne kosmosā kustas, savukārt zvaigzni kustina planēta. Planēta riņķo apkārt zvaigznei, un tā zvaigzni arī mazliet pievelk. Zvaigzne nestāv uz vietas, un, planētai kustoties un taisot lielu apli, zvaigzne taisa mazāku. Zvaigznes kustību ir nepieciešams izmērīt, un pēc tam izrēķināt, cik liela ir planēta. Tas nozīmē, ka astronomi gandrīz nevienu no citplanētām nav redzējuši. Pirmo planētu, ko viņi atklāja pie zvaigznes Pegaza zvaigznājā nr. 51., viņi neredzēja, bet pētnieku aparatūra uzrādīja planētas klātbūtni. To sauc par radiālā ātruma metodi.
Otrā metode, ko sāka lietot vēlāk, un arī ļoti plaši izmantoja Keplera kosmiskais teleskops, ir pāriešanas jeb tranzīta metode. Ja planēta ap zvaigzni riņķo tādā veidā, ka kādā brīdī ir zvaigznei priekšā, tad uz neilgu laiku, planētai mazliet aizsedzot zvaigzni, pavājinās zvaigznes gaisma. Šo mazo gaismas pavājināšanos, kas var būt tikai niecīgs 1%, ļoti precīzi izmērot var saprast, ka iemesls var būt planēta, nevis pati zvaigzne ir zaudējusi spožumu. Ar tranzīta metodi ir atklātas daudzas eksoplanētas.
4118 – tas ir liels skaitlis. Vai eksoplanētas vēl joprojām ir retums?
Tā jau ir pierasta lieta. Bet jāsaprot, ka lielais atklāto eksoplanētu daudzums ļauj izpētīt un saprast, kādas ir tās planētas pie citām zvaigznēm, vai līdzīgas tām, kas ir mūsu Saules sistēmā, piemēram. Ir atklātas ļoti atšķirīgas planētas. Ir tādas, kas ļoti tuvojas savai zvaigznei, kas ir briesmīgi karstas, pakāpeniski deg un iztvaiko. Vēl ir tādas, kas riņķo lielā attālumā, ir sasalušas. Vēl ir atklātas planētas Zemes lielumā, un arī tāda, kas ir vairākas reizes lielākas par Jupiteru, kas ir lielākā planēta Saules sistēmā. Planētas sastāvu arī ir iespējams aptuveni noskaidrot, izmantojot abas metodes vienlaicīgi. Ja ir tāda planēta, kas iet pāri tam savam zvaigznes diskam un gaismu aizsedz, var noteikt planētas izmērus. Un ja izmanto otru metodi, tad var aprēķināt planētas masu. Pēc tam rēķina planētas blīvumu. Tad sāk izdarīt pieņēmumus, no kā planēta varētu sastāvēt – vai tā ir tikai gāze, vai tikai cietie ieži. Var sākt modelēt iespējamo planētu izskatu. Ir visdažādākie varianti – citplanētu pasaule ir ļoti daudzveidīga.
Vai fotogrāfijās, kas pieejamas tīmeklī, attēlotas reāli atklātās citplanētas?
Tie visi skaistie attēli, kas atrodami internetā, ir mākslinieku zīmējumi. Atskaitot kādus 20, kas ir necili, mazi punktiņi blakus savai zvaigznei. Tad tā ir nofotografēta tieši. Visi pārējie tūkstoši ir vizualizācijas, kas balstās uz netiešā veidā iegūtām ziņām.
Uz kāda pamata šie mākslinieku zīmējumi tiek veidoti?
Zīmējumi tiek veidoti, balstoties uz zinātnieku pieņēmumiem, ka, piemēram, konkrētā planēta ir līdzīga Jupiteram, Zemei vai Neptūnam.
Visumā galaktiku ir ļoti daudz. Vai ir iespēja, ka kādā no tām ir Zemei identiska planēta?
Tas tiek minēts arī Nobela prēmijas kontekstā. Kaut arī mums pašlaik nav nekādu fizisku iespēju konstatēt planētas citās galaktikās, jo tās ir pārāk tālu, bet visa mūsu izpratne par Visumu rāda, ka tur jābūt tām pašām vielām, un valda tie paši likumi. Nav iemeslu domāt, ka tur nav tādu planētu.
Cik tālu ir saskatāmas eksoplanētas?
Ja iztēlojamies mūsu galaktiku, mēs skatāmies tādu mazu aplīti galaktikā ap Saules sistēmu – tas ir apgabals, kur spējam saskatīt eksoplanētas. Tie ir daži simti gaismas gadu, kas kosmosa mērogā ir maz. Tālāk tehniskās iespējas pagaidām skatīt neļauj. Tuvākā planēta ir pie zvaigznes Centaura Proksima – četri gaismas gadi.
Kā vizualizēt vienu gaismas gadu?
Ja gaisma skrietu uz riņķi, tā vienā sekundē Zemei apskrietu apkārt astoņas reizes. Tā ir viena sekunde. Un tā gaismai būtu jāskrien gadu, kamēr tā veic vienu gaismas gadu. No tālākajām eksoplanētām gaismai jāceļo simtiem gaismas gadu.
Prātam neaptverami…
Jā, tas ir neizbēgami. Kosmoss ir tik liels, ka gaismas ātrums vairs nepalīdz. Tas ir viens no astronomijas plusiem – var vairāk paskatīties uz visu no citas perspektīvas.
Vai pēc teorijas cilvēkam ir iespējams ceļot daudzu gaismas gadu attālumā?
Ir iespējams ceļot ar mazu ātrumu. Šobrīd cer palaist kosmosā mazas mikroshēmas, varbūt pēc 10–20 gadiem, kas 40 gadu laikā varētu sasniegt tuvāko zvaigzni – tādas ir mūsu iespējas šobrīd. Vajadzētu lielu kosmosa kuģi, lielu enerģiju – pagaidām tas vispār netiek apspriests.
Varbūt teleportēties?
Mūsdienu fizika pagaidām tādas iespējas nepiedāvā. Teorētiski tārpejas varētu savienot divus dažādus Visuma punktus. Relativitātes teorija it kā atļauj to uzbūvēt, taču kvantu teorija uzliek ierobežojumus. Pagaidām nav abu teoriju apvienotā skatījuma. Tārpejas ideja tiek apspriesta un ir ļoti populāra, bet šķiet, ka tā tomēr nav iespējama.
Vai eksoplanētas būtiski atšķiras no mūsu Saules sistēmas planētām?
Ir planētas, kas līdzīgas Neptūnam un Urānam, Jupiteram un Saturnam. Apstākļus, kas uz tām valda, nosaka tas, cik tuvu savai zvaigznei planēta atrodas. Ir arī tādas planētas, kas ir diezgan līdzīgas Zemei. Tomēr pagaidām īstena Zemes līdziniece nav atrasta. Bet būtu interesanti tādu ieraudzīt.
Kā jūs vērtējat laureātu pētījumus un ieguldījumu pētniecībā?
Kosmisko mikroviļņu fona attēls ir konkrētās Visuma attīstības fāzes „nospiedums”, un tas ir viens vienīgs. To iespējams analizēt tikai vēl sīkāk, it kā mēģinot uzzināt vairāk informācijas. Bet vai varētu atklāt kaut ko radikāli jaunu? Ir nepieciešams konstatēt citus efektus, kas notikuši Visumā vēl agrīnāk. Piemēram, sākotnējos gravitācijas viļņus, kas teorētiski Visumā varēja rasties, un kuri arī varbūt kādu iespaidu atstājuši šajā mikroviļņu fona starojumā. Vienu brīdi šķita, ka kaut ko līdzīgu izdevies atklāt, bet pēc tam izrādījās, ka tas ir instrumentālo kļūdu radīts efekts. Bet jā, es pieļauju, ka mikroviļņu fona attēls vēl zinātniekiem kalpos. Bet svarīgākās lietas jau ir nolasītas.
Kas attiecas uz planētām, tad tā ir joma, kas attīstās un noteikti attīstīsies. Pat brīdī, kad iestāsies informācijas piesātinājums, tas sniegs iespēju daudz labāk saprast to, kādas ir šīs planētas kā objekti, kā arī palīdzēs izprast Saules sistēmu uz visa šī fona. Pētījumi kļūs dziļāki, pētīs planētu atmosfēras, kā arī apstākļus, kas valda uz planētas. Top jauni kosmiskie un virszemes teleskopi, kas ļaus pētīt planētas pie citām zvaigznēm daudz detalizētāk.
Cik ilgam laikam jāpaiet, lai tehnoloģijas būtu pietiekami attīstības visa izzināšanai?
Ko citplanētieši pusdienās ēd? (Smejas) Laikam tā nebūs nekad. Visums ir ļoti daudzveidīgs, un ik brīdi tiek atklātas jaunas lietas un pārsteigumi. Tuvākajos simtos gadu noteikti nevarēs nopūsties un nolikt teleskopu plauktā.
Tāds filozofisks jautājums – ja jūs nodarbotos ar aktīvu pētniecību, ko jūs vēlētos pētīt?
Esmu galvenokārt pedagogs un zinātnes komunikators, bet ja man vajadzētu izvēlēties pētniecības tēmu… Mani fascinē tas, ko darīja Stīvens Hokings. Saprast, kas notiek melnajos caurumos… Dažas lietas jau ir saprastas, piemēram, kas notiek uz robežas starp melno caurumu un apkārtējo Visumu, taču tas, kas notiek tur iekšā, ak, tā ir lielā mīkla.
Un ko domājat par neseno pētnieku darba augli – melnā cauruma foto?
Tas bija milzīgs daudzu komandu darbs, kurā bija iesaistīti astoņi radioteleskopi. Nu jau medijos slavenā Ketija Boumane apstrādāja datus un veidoja datora modeli. Jā, tas bija šausmīgi svarīgi, jo līdz šim vienmēr nācās teikt: „Nu, teorētiskie priekšstati par melnajiem caurumiem…”, bet tagad ir konkrēti parādīts, ka tiešām melnā cauruma apkaimē tiešām notiek tā, kā ir teorētiski paredzēts. Tas attēls ļoti precīzi atbilst teorētiskiem modeļiem.
Kas attiecas uz baumām sabiedrībā, ka reiz Saule sprāgs. Vai taisnība?
Uzsprāgs, jā. Ja, teiksim, kad es biju students, nebija vēl tādas skaidrības, tad tagad zvaigžņu evolūcijas teorija ir diezgan labi izstrādāta, un tiešām pietiekami droši var prognozēt, ka aptuveni pēc pieciem līdz septiņiem miljardiem gadu Saule kļūs par sarkano milzi, to var uzskatīt par uzsprāgšanu. Tā spīdēs 100–200 reizes spožāk nekā tagad, un arī izpletīsies. Zeme atradīsies pašā ārpusē vai Saules iekšpusē. Visdrīzāk, mūsu Zeme nesaglabāsies, bet iztvaikos. Uz to laiku mums būs jābrauc dzīvot kaut kur citur. (Smejas) Jā, tas ir neizbēgami. Bet medijos plaši izskanējušie uzskati, ka Saule uzsprāgs pēc trim gadiem vai miljons gadiem – atbilde ir nē. Tie ir vairāki miljardi gadu.
Vēl vēlējos piebilst… Man bija lieliska iespēja pirms 10 gadiem klausīties Didjē Keloza lekciju par eksoplanētām. Tas ir vienīgais Nobela prēmijas laureāts, ar kuru man bijuši ciešāki kontakti. Es viņam vaicāju (jāņem vērā tā brīža zināšanas par eksoplanētām), kad varētu atklāt kādu pavadoni, kas riņķo ap planētu. Tas ir kā nākamais solis – tālā planēta riņķo ap zvaigzni, un varbūt ir pavadonis, kas riņķo ap planētu. Jo daži pavadoņi varētu būt līdzīgi tiem, kas ir mūsu Saules sistēmā, un uz kuriem varētu rasties dzīvība. Viņš teica, ka tehnoloģijām ir jāattīstās, un mums vajadzēs vēl vairākus gadus, kamēr līdz tam nonāksim. Pērn izskanēja pirmās idejas, ka ir izdevies atrast eksoplanētas pavadoni, bet tas neapstiprinājās. Bet šķiet, ka nu jau tuvākajos gados tas realizēsies.
