Kővári Zsolt – Hotya Hajni
Nobel-díjat érő eredmények a csillagászatban
CS
illagászati Nobel-díj nincs, azonban fontos csillagászati, vagy csillagászathoz kapcsolódó eredményekért jó néhány fizikai Nobel-díjat kiosztottak már. Sőt, a fizikai Nobel-díjak többsége valamilyen módon a csillagászathoz köthető, hiszen a modern csillagászati kutatások nem képzelhetők el a XX. századi fizika vívmányai nélkül: a csillagászati megfigyelések során kevés kivételtől eltekintve elektromágneses sugárzást gyűjtünk és detektálunk, ily módon a csillagászat tudománya szorosan összefügg az elektromágneses sugárzás megismerésének történetével, a sugárzás elméletének megalapozásával, a kvantummechanika, a modern részecskefizika kialakulásával. A csillagászati eredményekkel összefüggésben azonban nem feledkezhetünk el a modern fizika más területeiről, a relativitáselméletről, a plazmafizikáról, a szilárdtestfizikáról, vagy éppen az alacsony hőmérsékletek fizikájáról sem. Ebből eredően a következőkben csupán azokkal a Nobel-díjasokkal foglalkozunk részletesen, akik az elismerést közvetlen csillagászati eredményekért kapták. A többi csillagászati vonatkozású díjazottat – a teljességre nem törekedve – csupán felsoroljuk.
Nobel végakarata Alfred Nobel szorgalmas feltaláló, nagy tudású empirista volt, akinek zsenialitása intuíciójában rejlett. Bár felsőfokú tanulmányokat nem végzett, több nyelven kitűnően beszélt, a technikán és a természettudományokon túl a kultúra iránt is érzékenyen érdeklődött, széles látókörű kozmopolitaként bejárta a világot. Írt verseket, drámát, rajongott a festészetért, saját műgyűjteménye és hatalmas könyvtára volt. Számos tudományos intézetet támogatott, kollégáival jó emberi kapcsolatot tartott fenn. 1884-ben a Svéd Tudományos Akadémia tagjává választották, és egyetemi tanárként is dolgozott. Örökre talány marad, vajon pacifistaként miként gondolt a haditechnikai találmányai által okozott emberi veszteségekre, a háborús károkra. A Természet Világa 2009/I. különszáma
Élete utolsó évtizedében Alfred Nobelben megszületett a gondolat, hogy halála után egy alapítványon keresztül jelentős anyagiakkal járó díjat adományozzon a tudomány és kultúra területén legnagyobb eredményt elérő személyeknek. Végrendeletét többször módosítva végül úgy döntött hatalmas vagyonának évi kamatairól, hogy „azok számára osztassanak fel, akik az elmúlt esztendőben az emberiségnek a legnagyobb hasznot hajtották”. Végakaratában öt területet jelölt meg – a fizika és a kémia mellett az orvoslást, az irodalmat és a béketeremtést, melyek között vagyonának kamatait egyenlő részben kell felosztani. (Egy közkeletű tévhit eloszlatására – miszerint Nobel személyes okok miatt zárta volna ki végrendeletéből a matematikusokat – megjegyezzük, hogy a matematikatudomány nem játszott központi szerepet Nobel életében, ezért nincs matematikai Nobel-díj.)
Új fizika születik A hőmérsékleti sugárzásról 1893-ban publikált dolgozatában Wilhelm Wien egyszerű képletet adott arra, hogyan függ a sugárzó test energiaspektrumának maximumához tartozó hullámhossz a test hőmérsékletétől. A Wien-féle eltolódási törvény elismeréseképpen 1911-ben Nobel-díjat kapott, azonban a hőmérsékleti sugárzással kapcsolatban alapvető problémák is felmerültek, pl. nagyobb energiákon a Wien-féle közelítés nem egyezett a tapasztalattal. Az ellentmondás feloldásához a klasszikus fizika keretei szűknek bizonyultak, teljesen új megközelítésre volt szükség. Az első lépést egy merőben új fizika felé vezető úton Max Planck német fizikus tette meg azzal, hogy feltételezte az energia kvantumos természetét. Planck 1900-ban közölte a hőmérsékleti sugárzást leíró képletét, amellyel megteremtette a kvantummechanika alapjait. 1918-ban kapott Nobel-díjat „szolgálatának elismeréseképpen, amelyet a fizika fejlődéséért tett az energiakvantum felfedezésével”. 1905 rendkívüli év a fizika történetében: Albert Einstein négy, az utókor számára mérföldkőnek tekinthető eredményt közölt a fotoelektromos effektus-
ról, a Brown-mozgás természetéről, ekkor publikálja a speciális relativitáselméletet és vele összefüggésben a tömeg és az energia ekvivalenciáját megfogalmazó híres E=mc2 képletét. Az 1921-es fizikai Nobel-díjat (melyet 1922-ben adtak ki) Einstein kapta. S bár a bizottság rövid indoklásában a fotoelektromos effektust emeli ki, a részletes méltatás már a relativitáselmélet említésével kezdődik: „A kérdéses elméletnek asztrofizikai vonatkozásai is vannak, melyekkel kapcsolatban jelenleg is alapos vizsgálatok folynak.” Az általános relativitáselmélet első kísérleti igazolását és az igazi elismerést egy csillagászati megfigyelés szolgáltatta: az elmélet által megjósolt gravitációs fényelhajlást az 1919. évi napfogyatkozásnál sikerült kimutatni. Évtizedekkel később a Hipparcos asztrometriai szonda mérései és a Hubbleűrtávcső gravitációs lencsékről készített felvételei még látványosabban igazolták Einstein elméletének helyességét.
A kozmikus sugárzás és egzotikus részecskéi A fizikai Nobel-díjak tekintetében a kozmikus sugárzás vizsgálata igen gyümölcsöző kutatási terület. 1936-ban Victor Franz Hess és Carl David Anderson olyan eredményért kaptak megosztva Nobel-díjat, amely közvetlenül kapcsolódik csillagászati kutatáshoz. Hess az 1910es években felsőlégköri ballonos kísérletekkel felfedezte a kozmikus sugárzást. Különböző napszakokban, továbbá napfogyatkozás alkalmával elvégzett kísérleteivel igazolta, hogy a sugárzás legnagyobb, minden korábbi képzeletet felülmúló energiájú komponense nem a Napból ered, de hogy honnan, arra még évtizedekig nem sikerült magyarázatot találni. A kozmikus sugárzás részecskefizikai jelentősége, hogy segítségével az elemi részecskék sokaságát sikerült a későbbiekben megtalálni. A másik kitüntetett, Anderson a kozmikus sugárzás részecskéinek eltérülését vizsgálta erős mágneses térben, így sikerült felfedeznie a „pozitív töltésű elektront”, vagyis a pozitront, amiért a Nobel-díjat kapta.
43
Kővári Zsolt–Hotya Hajni: Walter Bothe 1929-ben kezdett a kozmikus sugárzás vizsgálatával foglalkozni, amivel összefüggésben kidolgozta a koincidencia módszert, melyben két vagy több detektor egyidejű alkalmazásával figyelhető a részecskék keletkezése. A rövid élettartamok vizsgálatára alkalmas módszer számos izgalmas felfedezést eredményezett, melynek elismeréseként 1954-ben Bothe fizikai Nobel-díjat kapott. 1948-ban a brit Patrick Maynard Stuart Blackett kapott Nobel-díjat „a Wilson-féle ködkamra módszer kifejlesztéséért és a segítségével elért magfizikai és kozmikus sugárzással kapcsolatos felfedezéseiért”. Blackett a Manchesteri Egyetem professzoraként az 1930-as évek második felében kozmikus sugárzással foglalkozó iskolát hozott létre, néhány évvel később pedig az ő közreműködésével jött létre a Jodrell Bank-i rádiócsillagászati központ. Az Univerzum négy alapvető kölcsönhatása közül az erős kölcsönhatás elméletének kidolgozása többek között Hideki Yukawa nevéhez köthető, aki 1949-ben kapott Nobel-díjat, amiért „a magerők elméletét kutatva megjósolta a mezonok létezését”. Yukawa jóslata szerint a magerők közvetítő részecskéjének a tömege néhány százszorosa az elektronénak. A π mezonnak (pionnak) keresztelt Yukawa-részecskét Cecil Frank Powell találta meg a kozmikus sugárzásban, amiért 1950-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat. 1969-es fizikai Nobel-díj is a kozmikus sugárzással kapcsolatos kutatásokhoz kötődik. Murray Gell-Mann a kozmikus sugárzásban megfigyelt „ritka” folyamatok magyarázatára vezette be a ritkaságnak keresztelt kvantumszámot. Később, Gell-Mann kvarkelméletében a ritkaság a ritka („s” − strange) kvarkok által új értelmet nyert. Az elmélet szerint az atommagokat hipotetikus építőkövek, kvarkok alkotják, melyekből Gell-Mann háromfélét tételezett fel (u-up, d-down, s-strange). A részecskefizika paradigmája, a standard modell szerint az u, d, s kvarkok mellett további háromra (t-top, b-bottom, ccharm) − összesen tehát hat kvarkra van szükség a köröttünk levő anyagi világ felépítéséhez.
Csillagok tündöklése és bukása Miért ragyog a Nap? Erre a kérdésre – hiába minden igyekezet – a csillagászok még az 1920-as években sem tudtak válaszolni. Sir Arthur Eddington akkor vetette fel, hogy a Nap belsejében uralkodó hő és nyomás hatására az atommagok képesek lehetnek arra, hogy fúziójukkal jelentős energiát szabadítsanak fel. Hans Bethe ezen az úton haladt tovább, hogy megértse, miként működnek a csillagok.
44
Bethe 1938-ban egy konferencia nyomán kezdett foglalkozni a csillagok energiatermelésével, és első eredményét már abban az évben közölte, majd a rá következő évben publikálta másik jelentős dolgozatát. Két cikkében kétfajta nukleáris reakciót vázolt, amely a csillagok belsejében irányítja az energiatermelést. Azt is megmutatta, hogy a két lehetséges folyamat közül melyik lesz domináns adott fizikai körülmények között. Ennek megfelelően a Napunkhoz hasonló, vagy annál kisebb tömegű csillagok esetében a domináns
csült korával. Hans Bethe munkája elismeréseként 1967-ben Nobel-díjban részesült. Bethe elméletéből egyenesen következett a csillagok életciklusa: keletkezésük után a csillagok életük döntő részében fúzióval energiát termelnek, egy idő után azonban elfogy az üzemanyaguk, és akkor szükségszerűen elpusztulnak. Ennek szellemében az 1983-as fizikai Nobel-díj átadóünnepségének témája a csillagfejlődés volt. Az egyik kitüntetett Subrahmanyan Chandrasekhar, aki „a csillagok szerkezetét és fejlődését meghatározó
1. ábra. Sarki fény (auróra) az alaszkai Medve-tó fölött (Eielson légibázis) (http://commons.wikimedia.org) pp-reakció során négy protonból egy He atommag lesz. Ezzel szemben a nagyobb tömegű csillagok belsejében lezajló karbon-ciklusban a protonok egyesítése szintén héliummagot eredményez, azonban a folyamat az előbbinél jóval komplexebb, melyben a szén katalizátorként lép fel. Mivel a folyamatokban keletkező He mag tömege kisebb, mint a négy proton együttes tömege, Einstein E=mc2 képlete alapján kiszámolható, hogy a tömegdefektus mekkora felszabaduló energiát szolgáltat. Meg kell jegyeznünk, hogy néhány évvel korábban Robert Atkinson már felvetette a protonból hélium keletkezésének lehetőségét csillagokban, sőt, Bethétől függetlenül Karl von Weizsäcker kb. vele egy időben a karbon-folyamatot is vázolta. Azonban Bethe volt az, aki kidolgozta a folyamat részleteit és megbízható módon igazolta, hogy valóban ezek a folyamatok a fő felelősei a csillagok belsejében zajló energiatermelésnek. Bethe becslése szerint a vázolt nukleáris reakciókkal a Nap és a csillagok akár milliárd évekig képesek egyenletesen világítani. Ez a felfedezés komoly előrelépés volt, hiszen a korábbi elméletek egyikét sem lehetett összeegyeztetni a Föld és a földi élet több milliárd évre be-
fizikai folyamatok elméleti kutatásáért” kapta a díjat. Chandrasekhar a csillagfejlődés mechanizmusát kutatva 1931-ben rájött, hogy a fehér törpék tömege nem lehet akármekkora, mivel kb. másfél naptömegnél („Chandrasekhar-határ”) nagyobb csillag magja már nem maradhat fehér törpe egyensúlyi állapotban, szükségszerűen összeomlik. Az ilyen összeroppanó csillagot neutroncsillagnak hívjuk. Azonban a neutroncsillagok sem lehetnek akármekkorák, ha az összeroppanó csillag magja 2-3 naptömegnél több anyagot tartalmaz, fekete lyuk keletkezik. Chandrasekhar átfogó munkássága a csillagszerkezet, csillagfejlődés témakörén messze túlnőtt, eredményesen dolgozott többek között a relativisztikus asztrofizika, a fekete lyukak fizikája területén. Az 1983-as év másik Nobel-díjas csillagásza William Fowler volt, aki az Univerzum kémiai fejlődéséért felelős folyamatok elméletén dolgozott. A csillagok belsejében zajló magreakciók során születnek a nehezebb elemek, melyek a csillagok pusztulásával beszennyezik az Univerzumot. Részletesen foglalkozott azokkal a reakciókkal, amelyek megmagyarázzák az egyes csillagok megfigyelt kémiai összetételét. Fowler munFeltárul a Világegyetem
Nobel-díjat érő eredmények a csillagászatban kájával kapcsolatban nem szabad elfeledkezni Fred Hoyle-ról, aki vitathatatlanul fontos szerepet játszott a nukleoszintézis elméletének gondos kidolgozásában, bár nem kapott Nobel-díjat.
A mágneses világűr
dig az apertúraszintézis technikájának kidolgozásáért, Hewish pedig a pulzárok felfedezéséért. A háborús radartechnikai fejlesztések nyomán az 1950-es évektől kezdve a rádiócsillagászat a kozmosz kutatásának igen fontos eszközévé vált. Segítségével milliárd fényév távolságban levő objektumokat fedeztek fel. Ryle korszakalkotó ötlete az apertúraszintézis módszere volt, mellyel egymástól több kilométer távolságban levő kisebb rádiótávcsövek jeleit kapcsolta össze. Az így elért szögfelbontás
Az 1970-ben Hannes Olof Gösta Alfvén svéd plazmafizikusnak adományozott fizikai Nobel-díj csillagá---szati jelentősége vitathatatlan. Az eredetileg villamosmérnök Alfvén által kidolgozott magnetohidrodinamika elméletének számos fontos asztrofizikai alkalmazása született, hiszen az anyag negyedik halmazállapota, a plazma (elektromosan vezető gáz) a legelterjedtebb anyagforma az Univerzumban. Megtalálható a csillagokban és a csillagközi térben éppúgy, mint a bolygóközi térben. Alfvén a sarki fény jelen- 2. ábra. Jocelyne Bell ségét (1. ábra) vizsgálva a pulzárok felfedezéséhez – szembefordulva az ak- használt „rádiótávcsővel” kor általános elképzelés- (Credit: Jocelyn Bell sel, miszerint a világűr Burnell) vákuum – alapvető megállapítást tett: a világűrt 3. ábra. Fantáziakép mágneses plazma tölti ki, a 2004-ben felfedezett kettős amely fontos szerepet játpulzárról (John Rowe szik a különböző anyag- Animation/Australia Telescope struktúrák kialakításában. National Facility, CSIRO) A plazmaáramokat vizsgálva Alfvén megteremtette a magnetoakkora volt, mintha egyetlen óriás távcsöhidrodinamika alapjait. A plazma ellentévet használt volna olyan nagy gyűjtőfelütes töltésű részecskéi a mágneses erővonalettel, amely lefedi a kis távcsövekkel beszórt területet. Ryle módszerével a rádiólak mentén egymással ellenkező irányban mozognak, elektromos áramokat keltve. források irányát egyre pontosabban tudták Ezek kölcsönhatása mechanikai erőket meghatározni, és egyre jobb felbontású eredményez, melyek visszahatnak a plazképeket sikerült kapni az Univerzum legma mozgására. Alfvén a később róla elnetávolabbi objektumairól, a kvazárokról. Az interferencia elvén működő módszer vezett, korábban ismeretlen magnetohidrodinamikai hullámok elméletét a Natutovábbfejlesztett változatát ma is használre-ben publikálta 1942-ben. A magnetoják, akár távcsövek kontinenseken átívelő hidrodinamika komoly előrelépést hozott hálózatán. a Naprendszer korai fejlődésének tárgyaAz év másik Nobel-díjasa, Antony Helásában, a csillagképződés folyamatainak wish az 1960-as évek második felében a Cambridge-hez közeli Mullard Rádióértelmezésében, vagy a plazmába ágyacsillagászati Obszervatóriumban felállított zott központi objektumok (pl. szupernóvák) leírásában is. antennájával kezdte vizsgálni a kvazárokat. 1968-ban Jocelyn Bell PhD-hallgatóként dolgozott nála, feladata a rádiótávAz első Nobel-díjas csillagászok csővel kapott adatokban kvazárok nyomainak keresése volt (2. ábra). Bell egy Az 1974-es év mérföldkő a csillagászat alkalommal furcsa periodikus jelre buktörténetében, hiszen a korábban kitüntekant, amely nem hasonlított sem a földi tett fizikai Nobel-díjasok között nem volt eredetű rádiózajokra, sem a kvazárok jecsillagász. 1974-ben két Nobel-díjas csilleire. A jel szabályosan ismétlődött 3 málagászt ünnepelhetett a világ: Sir Martin sodpercenként, így hamar megindult a taRyle és Antony Hewish rádiócsillagászok lálgatás arról, mi lehet a forrás. Bell arra megosztva kapták a díjat − Ryle a rádióaz álláspontra helyezkedett, hogy a jel vacsillagászati felfedezéseiért, kiemelten pelószínűleg az űrből jön, nem földi eredetű. A Természet Világa 2009/I. különszáma
Miután sorra sikerült kizárni a lehetséges földi forrásokat és az instrumentális eredetet, a munkatársak felvetették, hogy földön kívüli civilizáció jeleit találták meg. Bell közben folytatta a megfigyeléseket, és rövidesen újabb, teljesen hasonló jelet talált 1 másodperces periódussal a Cassiopeia A területén, mely egy szupernóva maradványa. Bell ekkor még alaposabban megvizsgálva a korábbi adatokat további hasonló jeleket talált. Bell és Hewish az újabb eredmények ismeretében már nem tartották valószínűnek, hogy azok távo-
li civilizációtól erednek. Eredményüket a Nature-ben publikálták, és az objektumot gyorsan pulzáló rádióforrásnak keresztelték, melyből később pulzár lett. Megállapították, hogy a forrás galaktikus eredetű és hogy valószínűleg fehér törpe vagy neutroncsillag oszcillációja okozza. A pulzárokról ma már tudjuk, hogy ultrakompakt objektumok, atommag-sűrűségű neutroncsillagok, melyek erős mágneses tere és gyors forgása kelti a periodikus rádiójelet. A Nobel-bizottság 1974-es döntése mindazonáltal nagy vihart kavart, ugyanis számosan gondolták úgy, hogy Jocelyn Bellt hiba volt kihagyni a díjból. A pulzárok 1993-ban újra felbukkannak a Nobel-díj átadásán. Russell A. Hulse és Joseph H. Taylor Jr. a pulzárok egy új típusának felfedezéséért kapott Nobel-díjat. A PSR 1913+16 jelű pulzár periódusának változásából arra következtettek, hogy a pulzár egy kettősrendszer tagjaként kering. A kutatók alaposabb vizsgálattal azt is kiderítették, hogy a kettősrendszer másik tagja is neutroncsillag. Egy ilyen kettős neutroncsillag asztrofizikai jelentősége óriási. Éveken át tartó mérésekből kiderítették, hogy a keringés periódusa folyamatosan rövidül, a komponensek közötti tá-
45
Kővári Zsolt–Hotya Hajni: volság pedig csökken. Ennek magyarázata az általános relativitáselmélet keretében az, hogy a rendszer gravitációs hullámok kibocsátása miatt veszít energiájából (3. ábra). Ez az első bizonyíték a mindeddig közvetlenül nem detektált gravitációs hullámok létére.
Az ősrobbanás zaja George Gamow orosz származású amerikai fizikus mutatott rá először az 1940-es
ennek megfelelően néhány centiméterre nőtt. Ezt a kozmikus maradványsugárzást azonban az akkori technikai szinten még nem tudták kimutatni. Bő két évtizeddel később azonban egy véletlen felfedezésről kiderült, hogy a korai forró Univerzum hipotézist igazolja. 1964-ben Arno A. Penzias és Robert W. Wilson azt a feladatot kapták, hogy a Bell Labs speciális rádióantennájával (egy kürtantennával) tesztméréseket végezzenek (4. ábra). A kutatások a nagy lehetőségek előtt álló műholdas távköz-
4. ábra. Penzias és Wilson 1965-ben a Bell Labs kürtantennája előtt (American Physical Society, Lucent Technologies Inc./Bell Labs) években, hogy a táguló Univerzum történelmét vizsgálva az időben visszafelé haladva a tér egyre kisebb, miközben a hőmérséklet a fizika törvényei szerint egyre nő. A forró Univerzum korszakában az anyag csupán a legelemibb atomokból, többnyire protonból, elektronból, kevés héliumatommagból álló keverék formájában többé-kevésbé egyenletesen töltötte ki a teret. Amikor a keverék hőmérséklete éppen elérte a hidrogén ionizációs küszöbét, a forró Univerzumban alapvető változás állt be. Az történt ugyanis, hogy a részecskék hőmozgása már nem volt elegendő, hogy legyőzze a protonok és elektronok közötti vonzást, így azok képesekké váltak arra, hogy atomokká kapcsolódjanak, miközben fotonokat bocsátottak ki. Ezáltal az anyag semlegessé vált, mialatt a keletkező fotonok a tágulás következtében csökkenő sűrűség miatt egyre hosszabb utat tudtak anyagrészecskével történő találkozás nélkül megtenni. Az egyre ritkuló, hűlő anyag egy határon túl a fotonok számára teljesen átlátszóvá vált. A fotonok − leválva az anyagról − önálló életet kezdenek. Gamow és munkatársai kiszámították, hogy az anyag semlegessé válása környékén (ekkor az Univerzum kb. 300 000 éves volt) kiszabadult fotonok 3000 kelvin hőmérsékletű tengere az Univerzum tágulása miatt mára kb. 5 K-re hűlt le, a maradványsugárzás fotonjainak hullámhossza pedig
46
sugárzás 2,7 K hőmérsékletű feketetest jellegű sugárzás. A kutatók arra is kíváncsiak voltak, hogy a sugárzás mennyire irányfüggő. Az ezzel kapcsolatos munkát George F. Smoot irányította. A mérések alapján kiderült, hogy az nagymértékben izotróp, az eltérések százezred résznél is kisebbek. Ezek a kis különbségek a születő Univerzum kezdeti csomósodásai, melyekből később kialakulhattak a galaxisok (5. ábra). A COBE műholddal elért eredményekért Mather és Smoot 2006ban megosztva kaptak Nobel-díjat.
5. ábra. Az égbolt kozmikus mikrohullámú háttérsugárzása a COBE műhold által készített térképen. Az inhomogenitás mértéke csupán százezred résznyi. (Wikimedia Commons)
lést szolgálták volna, hiszen alig két évvel korábban bocsátották fel az első ilyen célú Telstar műholdakat. A tesztelés során Penzias és Wilson arra lettek figyelmesek, hogy akármerre irányítják az antennát, egy kiszűrhetetlen zaj mindig jelen van. A zaj vizsgálatából bizonyossá vált, hogy az nem származhat sem a műszertől, sem a légkörtől. Feltételezték tehát, hogy kozmikus eredetű és azt is megállapították, hogy energiaspektruma kb. 3 K hőmérsékletű feketetest-sugárzásnak felel meg. Hogy valójában az ősrobbanás elmélet egyik legfontosabb bizonyítékát szolgáltatták, csak akkor kezdték sejteni, amikor értesültek arról, hogy Robert Dicke, Jim Peebles és David Wilkinson éppen cikket kívánnak megjelentetni az ősrobbanás maradványzajának lehetséges detektálásáról. Végül Dicke és munkatársainak cikkével egy időben, ugyanabban a csillagászati folyóiratban jelent meg Penzias és Wilson beszámolója. Gamow forró Univerzum hipotézise tehát bizonyítást nyert, a világképformáló jelentőségű felfedezésért Penzias és Wilson 1978-ban Nobel-díjat kapott. Továbbra is fontos kérdés volt a mikrohullámú háttérsugárzás jellege. Ennek vizsgálatára John C. Mather vezetésével a NASA szakemberei az 1980-as években megépítették a COBE mesterséges holdat, melyet 1989-ben bocsátottak fel. A műhold mérései bizonyították, hogy a
Neutrínócsillagászati Nobel-díjak Wolfgang Pauli az 1930-as években megjósolta a később neutrínónak keresztelt semleges részecske létezését, melyet 25 évvel később Frederick Reines-nek sikerült megtalálnia. A Nap belsejében zajló fúziós reakciók nagy mennyiségben termelnek neutrínókat, amelyek majdnem teljesen akadálytalanul haladnak át a bolygónkon. A neutrínók ugyanis a leptonok családjába tartozó, a standard modellben nulla nyugalmi tömegűnek tekintett részecskék, melyek a közönséges anyaggal csak nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba. Minden másodpercben 60 milliárd neutrínó hatol át testünk minden négyzetcentiméterén anélkül, hogy egyetlen atomját is meglökné. Ha a neutrínó ilyen gyengén hat kölcsön, akkor hogyan lehet mégis detektálni? A megoldás a neutrínók nagy száma. A 2002. év egyik Nobel-díjjal jutalmazott fizikusa, Raymond Davis az 1960-as években indult Homestake-kísérletben a napneutrínók detektálását tűzte ki célul. A neutrínócsapda több száz köbméter folyadék (tetraklóretilén) volt. A három évtizeden át folytatott kísérlet során hetente átlagosan öt neutrínóbefogást észleltek. Ez azonban csupán fele volt annak, mint amennyit a Napban lejátszódó folyamatokból vártak volna. A „napneutrínó-probléma” súlyos kérFeltárul a Világegyetem
Nobel-díjat érő eredmények a csillagászatban
6. ábra. A Super-Kamiokande-kísérletben az 50 ezer köbméter tiszta vízben elnyelődő neutrínókat számolják 11200 fotodetektor segítségével. (Kamioka Observatory, ICRR, Univ. of Tokyo, Japan) déseket vetett fel a Nap energiatermelését leíró elmélettel kapcsolatban. A magyarázathoz 2002 másik Nobel-díjasa, Masatoshi Koshiba munkája vezetett. A japán fizikus a Kamiokande neutrínódetektorral 1987-ben észlelte a Nagy Magellán-felhőben felrobbant SN1987A jelű szupernóva által keltett neutrínózáport, az 1990-es években továbbfejlesztett Super-Kamiokande-kísérletben pedig sikerült igazolnia a neutrínó-oszcillációk létét, vagyis azt, hogy a három ismert neutrínófajta (elektron-neutrínó, müonneutrínó és tau-neutrínó) képes egymásba átalakulni, ami feltételezi, hogy a neutrínóknak van valamekkora nyugalmi tömegük (6. ábra). Ez megmagyarázza a napneutrínó-problémát is, hiszen Davis kísérlete csak az egyik neutrínótípusra, az elektron-neutrínókra volt érzékeny, amelyből azonban az oszcilláció miatt értelemszerűen kevesebb érkezett a detektorba.
Röntgen és a csillagászat A röntgencsillagászat a műholdak elterjedésével indult rohamos fejlődésnek, aminek köszönhetően megismertük a napkoronát, vagy pl. a fekete lyukak körül keringő forró plazmát. Ennek előzményeként említést kell tennünk a Nobel-díjak történetének legelső kitüntetettjéről, Wilhelm Conrad Röntgen német fizikusmérnökről, aki 1901-ben vehette át a kitüntetést a róla elnevezett sugárzás felfedezéséért. Mivel az űrből érkező röntgensugarak a földi légkörben elnyelődnek, a kozmikus röntgenforrások tanulmányozását a XX. A Természet Világa 2009/I. különszáma
század közepétől eleinte rakéták segítségével feljuttatott detektorokkal végezték. 1970-ben Riccardo Giacconi irányította az Uhuru röntgenműhold programját, 1978-ban az Einsteinről elnevezett röntgenműhold tervezésében vett részt, majd kezdeményezte egy nagy szögfelbontású röntgencsillagászati űrtávcső elkészítését, melyet végül 1999-ben bocsátottak Föld körüli pályára (Chandra − a Nobeldíjas Chandrasekhar tiszteletére). Giacconi tevékenysége nagyban hozzájárult ahhoz, hogy megrajzolhassuk az égbolt röntgentérképét. Giacconi „úttörő munkáját, amely a kozmikus röntgenforrások felfedezéséhez vezetett”, 2002-ben Nobel-díjjal jutalmazták (7. ábra). A műholdas megfigyelések szerint a röntgenégbolt a látható éghez képest egészen eltérő képet mutat. Forrásai többnyire a Tejútrendszer centruma irányába csoportosuló olyan kettősrendszerek, melyek egyik tagja kompakt objektum (fehér törpe, neutroncsillag vagy fekete lyuk), mely a normál kísérőcsillagától folyamatosan anyagot kap. Miközben az anyag a kompakt objektum körül korongot formál, röntgensugárzást bocsát ki. Igen erős röntgenforrás több aktív galaxis magja, a kvazárok, a szupernóvák maradványai. További röntgenforrások a magas hőmérsékletű csillagkoronák, illetve a galaxishalmazokat körülvevő, ugyancsak forró és rendkívül ritka gázburkok is.
Fizika a csillagászatban A csillagászati vonatkozású fizikai Nobel-díjasok sorát még hosszan lehetne folytatni, hiszen számos fizikai felfe-
7. ábra. Giacconi az Uhuru röntgenműholdon pihen (1970) (Smithsonian Institution Archives) dezés, elmélet kapcsolódik csillagászati megfigyelésekhez, kozmológiai kutatásokhoz, vagy az Univerzum keletkezésének körülményeit taglaló elméletekhez. Helyszűke miatt csupán megemlítjük a színképvonalak elméletével kapcsolatban kitüntetett két Nobel-díjas nevét: Hendrik Lorentz, Pieter Zeeman, a kvantummechanika megszületését elősegítő Nobel-díjasok névsorát: Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, James Chadwick, Wolfgang Pauli, Max Born, továbbá a kozmológiai vonatkozású részecskefizikai felfedezésekért, a szimmetriasértések és alapvető kölcsönhatások vizsgálatáért Nobel-díjjal jutalmazott fizikusokat: Chen-Ning Yang, Tsung-Dao Lee, James Cronin, Val Fitch, Emilio Segrč, Owen Chamberlain, Jerome Friedman, Henry Kendall, Richard Taylor, Carlo Rubbia, Simon van der Meer, Abdus Salam, Sheldon Glashow, Steven Weinberg, Leon Lederman, Melvin Schwartz, Jack Steinberger, Martin Perl, Gerardus ’t Hooft, Martinus Veltman, Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi és Toshihide Maskawa. Irodalom: Nobel-díjasok kislexikona, Gondolat, Budapest, 1985 Kiss László: 2005, Fizika a csillagászatban − csillagászat a fizikában, Meteor 35, 7−8 sz., 12−19. o. Kővári Zsolt: Csillagászat, 2005, e-learning a Mindentudás Egyetemén (mindentudas.hu) Németh Judit: Hans A. Bethe, a magfizika és a nukleáris asztrofizika egyik szülőatyja − Szubjektív megemlékezés, Fizikai Szemle 2006/7. 234. o
47
