Premio Nobel de Física 2019: James Peebles (cosmología teórica) y Michel Mayor y Didier Queloz (exoplanetas)

Por Francisco R. Villatoro, el 8 octubre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Personajes • Physics • Science ✎ 5

El 50% del Premio Nobel de Física de 2019 es para Jim Peebles (84 años), Univ. Princeton (EEUU), por sus contribuciones a la cosmología teórica, entre ellas la predicción del fondo cósmico de microondas, y el otro 50% es para Michel Mayor (77 años), Univ. Ginebra (Suiza), y Didier Queloz (53 años), Univ. Ginebra (Suiza) y Univ. Cambridge (Reino Unido), por el descubrimiento del primer exoplaneta que orbita una estrella de tipo solar usando el método de la velocidad radial. Un premio polémico donde los haya, pues en ambos casos hay otros físicos que podrían haber recibido el galardón en lugar de los elegidos. A pesar de ello, sus méritos están fuera de toda duda y en ambos casos se encontraban en muchas quinielas.

El galardón premia el artículo de R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll, y D. T. Wilkinson, “Cosmic Black-Body Radiation,” Astrophysical Journal 142: 414-419 (1965), doi: https://doi.org/10.1086/148306 (que precedía a A. A. Penzias, R. W. Wilson, “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s,” Astrophysical Journal 142: 419-421 (1965), doi: https://doi.org/10.1086/148307); y su secuela P. J. E. Peebles, “The Black-Body Radiation Content of the Universe and the Formation of Galaxies,” Astrophysical Journal 142: 1317-1326 (1965), doi: https://doi.org/10.1086/148417; así como otros artículos más recientes de la larga trayectoria científica de Peebles. La otra mitad del galardón premia al artículo de M. Mayor, D. Queloz, “A Jupiter-mass companion to a solar-type star,” Nature 378: 355-359 (1995), doi: https://doi.org/10.1038/378355a0 (te recuerdo que el primer exoplaneta fue descubierto alrededor de un púlsar por A. Wolszczan, D.A. Frail, “A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257+12,” Nature 355: 145-147 (1992), doi: https://doi.org/10.1038/355145a0).

Recomiendo ver el anuncio oficial, leer la nota de prensa, la información divulgativa y la información científica.

[PS] Recomiendo Elizabeth Gibney, Davide Castelvecchi, “Physics Nobel goes to exoplanet and cosmology pioneers,” Nature 574: 162 (08 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-02964-z; y muchas más [/PS].

Phillip James Edwin (Jim) Peebles (1935–) es uno de los padres de la cosmología física en la segunda mitad del siglo XX; así se logró transformar la cosmología desde una cuestión filosófica hasta una ciencia observacional, con observaciones de muy alta precisión. La contribución principal de Peebles ha sido predecir y caracterizar el fondo cósmico de microondas, lo suficiente como para poder observarlo usando telescopios espaciales específicos (como COBE, WMAP y Planck).

Como bien sabrás, Arno Penzias y Robert Wilson (Premio Nobel de Física en 1978) publicaron en 1965 la observación de la radiación de fondo cósmico de microondas (CMB). Su artículo estaba precedido por la interpretación física de dicha radiación de Robert Dicke (1916–1997),  Peter G. Roll (1935–), David T. Wilkinson (1935–2002) y James Peebles. La idea ya había sido sugerida con anterioridad por los padres de la teoría del big bang, Ralph A. Alpher (1921–2007), Robert Herman (1914–1997) y George A. Gamow (1904–1968); entre medias varios físicos soviéticos propusieron ideas similares. Como puedes leer, varios padres de la cosmología física han fallecido sin Nobel y, para más inri, Roll ha sido ignorado aún estando vivo (por supuesto, Roll es mucho menos famoso que Peebles). Aunque según cuentan los historiadores de la ciencia, Penzias y Wilson contactaron con el joven Peebles que formaba parte del grupo de investigación de Dicke, así que el papel de Peebles es destacado.

El rol de Peebles en 1965 es destacable además porque propuso que la formación de galaxias se iniciaba a partir de las anisotropías térmicas del fondo cósmico de microondas en un artículo de finales de 1965. Este artículo es el que, según muchos cosmólogos, lo convierte en el gran padre de la cosmología física y en indiscutible merecedor del Premio Nobel por encima de sus otros colegas. Aunque el mismo año el genial Yakov B. Zeldovich (1914–1987) publicó la misma idea en un extenso artículo de revisión (Ya. B. Zeldovich, “Survey of Modern Cosmology,” Advances in Astronomy and Astrophysics 3: 241-379 (1965), doi: https://doi.org/10.1016/B978-1-4831-9921-4.50011-9); por cierto, Zeldovich mereció el Premio Nobel pero falleció sin recibirlo.

Muchos cosmólogos físicos realizaron contribuciones relevantes entre 1965 y 1970, como Rainer Sachs (1932–), Arthur M. Wolfe (1939–2014), Andrei D. Sakharov (1921–1989), Joseph Silk (1943–) y Rashid Sunyaev (1943–); solo Sakharov ha recibido un Nobel, pero el de la Paz. Destaca el artículo de P. J. E. Peebles, J. T. Yu, “Primeval Adiabatic Perturbation in an Expanding Universe,” Astrophysical Journal 162: 815-836 (1970), doi: https://doi.org/10.1086/150713, que desarrolló métodos numéricos para estimar el espectro de potencia de las oscilaciones acústicas descritas por las anisotropías térmicas del CMB; esta figura de su artículo (para un universo plano, pero sin materia oscura ni energía oscura) se parece a grandes rasgos a la obtenida por el telescopio espacial Planck. Peebles es muy conocido por su libro de texto (que yo atesoro en mi biblioteca personal) P. J. E. Peebles, “Physical Cosmology,” Princeton University Press (1971).

Todos estos trabajos son previos a la propuesta de la inflación cósmica (circa 1980), por lo que no consideran cuál es el origen de las anisotropías del CMB. Como bien sabrás tras la introducción del modelo del big bang inflacionario aparecieron varios artículos a principios de los 1980 que bien podrían haber sido galardonados con un Nobel acompañando a Peebles; me refiero a los que se supone que le habrían dado el Nobel a Stephen W. Hawking (1942–2018) y que algún día podrían dárselo a Viatcheslav F. Mukhanov (1956–), junto a otros cosmólogos. Además, en este época se hizo necesario incluir la materia oscura en el contenido del universo, lo que podría haberle dado el Nobel a Vera F. C. Rubin (1928–2016) y aún podría dárselo a W. Kent Ford, Jr. (1931–).

Peebles también contribuyó a reivindicar la materia oscura (desde el punto de vista teórico mediante simulaciones numéricas). Ya en los 1970, con J. P. Ostriker, P. J. E. Peebles, “A numerical study of the stability of flattened galaxies: or, can cold galaxies survive?” Astrophysical Journal 186: 467-480 (1973), doi: https://doi.org/10.1086/152513, pero sobre todo en los 1980 con el estudio de su efecto sobre el espectro acústico del CMB, con P. J. E. Peebles, “Large-scale background temperature and mass fluctuations due to scaleinvariant primeval perturbations,” Astrophysical Journal 263: L1-L5 (1982), doi: https://doi.org/10.1086/183911. Hoy el tercer pico acústico del espectro del CMB es una clara indicación de la existencia de la materia oscura y su relación con el segundo pico nos permite determinar la proporción relativa entre la materia bariónica y la materia oscura. Las predicciones de Peebles en 1982 fueron confirmadas por el telescopio espacial COBE de la NASA diez años más tarde.

La posibilidad de observar la constante cosmológica en el fondo cósmico de microondas (lo que hoy llamaríamos la contribución de la energía oscura) fue planteada por P. J. E. Peebles, “Tests of cosmological models constrained by inflation,” Astrophysical Journal 284: 439-444 (1984), doi: https://doi.org/10.1086/162425. Su idea era discernir entre diferentes modelos cosmológicos, pero como ocurrió con otros artículos similares en aquella época (como M. S. Turner, G. Steigman, L. M. Krauss, “Flatness of the Universe: reconciling theoretical prejudices with observational data,” Physical Review Letters 52: 2090-2093 (1984), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.52.2090) no había razones firmes para pensar que su valor no fuera despreciable (máxime cuando no parecía que fue relevante en la formación de grandes estructuras del universo).

En esta época había un gran problema con el modelo cosmológico, pues la edad estimada del Universo era inferior a la edad de las estrellas más viejas. Obviamente, era algo imposible, pero un universo con materia bariónica y materia oscura solamente era incapaz de resolver este problema. Así aparecía la necesidad de la constante cosmológica (la actual energía oscura), pero era algo razonable para los cosmólogos teóricos a lo que los cosmólogos observacionales se resistían. Todo empezó a cambiar a principios de los 1990, aunque hubo que esperar a la gran sorpresa de 1998 con la aceleración de la expansión cósmica (Premio Nobel de Física de 2011) para que no hubiera otro remedio que aceptar la existencia de la energía oscura.

En resumen, las contribuciones de Peebles han sido muchas, pero su premio no estará libre de polémica. Hay muchos cosmólogos teóricos muy relevantes. Peebles lo merece, pero muchos otros también.

Por otro lado, Michel Mayor (1942–) y su estudiante de doctorado Didier Queloz (1966–) descubrieron en 1995 el primer planeta extrasolar por el método de la velocidad radial, 51 Pegasi b, bautizado Dimidium; este método permite buscar exoplanetas en órbita de estrellas de tipo solar. Este exoplaneta de tipo Júpiter caliente tiene una masa de al menos la mitad de la de Júpiter y se encuentra a unos 50 años luz de distancia de la Tierra. El método de la velocidad radial para detectar exoplanetas de tipo joviano fue propuesto en 1952 por Otto Struve (1897–1963); el gran planeta provocaría un pequeño desplazamiento Doppler en la luz emitida por la estrella que podría ser detectado con espectrógrafos de alta sensibilidad.

Los avances en la tecnología de los espectrómetros en los 1980 permitió retomar la idea de Struve en los 1990. Michel Mayor y varios colegas desarrollaron el espectrógrafo ELODIE, que fue instalado en 1993 en el Observatorio de la Alta Provenza, Francia. Fue diseñado para alcanzar un sensibilidad similar al cambio provocado por el planeta Júpiter en la luz del Sol, un desplazamiento oscilatorio de ±13 m/s en un ciclo de 12 años. Para detectar exoplanetas de tipo joviano usando ELODIE era necesario que estuvieran muy cerca de su estrella (los hoy llamados jovianos calientes); pero entonces se pensaba que era muy improbable que existieran dichos planetas, por lo que las esperanzas de que ELODIE descubriera exoplanetas eran muy bajas. Aún así, usando este instrumento los astrónomos Mayor y Queloz identificaron a 51 Pegasi b y lo publicaron en Nature el 23 de noviembre de 1995 (lo enviaron el 29 de agosto de dicho año).

Esta figura muestra las observacioens de Mayor y Queloz; por fortuna para ellos fueron confirmadas muy poco después, por quienes un año más tarde descubrieron otros dos exoplanetas por el método de la velocidad radial (Geoffrey W. Marcy, R. Paul Butler, “A Planetary Companion to 70 Virginis*,” The Astrophysical Journal Letters 464: L147 (1996), doi: https://doi.org/10.1086/310096; R. Paul Butler, Geoffrey W. Marcy, “A Planet Orbiting 47 Ursae Majoris*,” The Astrophysical Journal Letters 464: L153 (1996), doi: https://doi.org/10.1086/310102). Todo exoplaneta debe ser cofirmado y la confirmación se publicó en 1998 en el artículo Timothy M. Brown, Rubina Kotak, …, Robert W. Noyes, “Exoplanets or Dynamic Atmospheres? The Radial Velocity and Line Shape Variations of 51 Pegasi and τ Bootis,” The Astrophysical Journal Supplement Series 117: 563 (1998), doi: https://doi.org/10.1086/313123.

Hoy en día se han descubierto más de 4000 exoplanetas, así que la labor pionera de Mayor y Queloz hoy en día es rutinaria. Además, ya podemos realizarla mediante telescopios espaciales como TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), que la NASA lanzó el 18 de abril de 2018. Cubrirá el 85% del cielo (una región 400 veces mayor que la cubierta por el telescopio espacial Kepler). Decenas de miles de exoplanetas serán descubiertos en los próximos años.



5 Comentarios

  1. Lo de Mayor y Queloz, pese a que me parece muy bien y su descubrimiento ha supuesto una revolución copernicana ¿no es un poco fuera de lo común en los Nobel de Física? Quiero decir, parece un poco más trabajo de buen artesano que de nuevas teorías y cosas así ¿no?
    Hablo un poco desde el desconocimiento de los Nobel.

  2. Ya podemos decir de manera confiada que los p. Nobel se subdividen en categorías teórica y experimental con lo que se darán a varias personas cada año en las diferentes categorías (de ciencias claro). Con lo que pasan de ser 5 a 8 categorías.

  3. El libro de Alan H. Guth “El universo inflacionario” cuenta con todo detalle los entresijos y los nombres de la cosmologia moderna. Es un libro super super delicioso. Todavía recuerdo la foto de Peebles y eso que leí el libro hace 20 años.
    Sobre la injusticia de los nobeles, yo por ejemplo soy extremadísimamente mal pensado sobre las razones por las que les dieron el nobel al Penzias y al Wilson, a fin de cuentas su “descubrimiento” no difería del que en aquellos años ya hacían cada día los millones de couch potatos que veían la televisión sin sintonizar…

  4. Hola,como lego tengo una visión borrosa y muy sesgada del Universo,
    lo considero (simplificando al máximo) mas que una televisión,
    como un Cine,pero no todo.
    Solo una pequeña ventana donde sale un punto de luz,
    luego veo un cono donde hay luces y sombras borrosas
    pero se pueden distinguir figuras,y por ultimo
    la pantalla,el cono lo veo gracias al polvo que hay en la sala
    pero no pertenecen al Universo,lo curioso es que yo tampoco
    pertenezco a ese Universo,solo soy un mero espectador que esta
    fuera de el, sentado en mi butaca comiendo rosas.
    Es curioso en el cono contra mas me acerco al punto de luz
    mas veo el Futuro, si veo la pantalla el Pasado, pues estoy en
    mitad de la sala,la pantalla puede ser plana o curva,esto es importante.
    Los actores no pueden ver el cono,es su Futuro,pero creo que si pueden ver su Pasado.
    En algunas pocas ocasiones me levanto cortando un poco de luz,viendo una pequeña anomalía en la pantalla.

    Pero para mi, un día fuera de la sala también vi una pequeña anomalía,lo que me hizo pensar
    que también estoy en otro Universo y hay alguien fuera de el que me mira.

    Un saludo y gracias.

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