Das Universum mit anderen Augen sehen

Acht Jahre nachdem mit der Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums der Nobelpreis für Physik Beiträge aus Kosmologie und Astronomie ausgezeichnet hat, geht der prestigeträchtige Preis wieder an drei Forscher aus diesen Fachgebieten. Der kanadische Kosmologe Philipp James Edwin Peebles erhält die Hälfte des Physik-Nobelpreises 2019 für seine „theoretischen Entdeckungen auf dem Gebiet der physikalischen Kosmologie“. Die andere Hälfte teilen sich die beiden Schweizer Astronomen Michel Gustave Mayor und Didier Queloz für die „Entdeckung eines Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist“.

Peebles wurde 1935 im kanadischen Winnipeg geboren und studierte an der University of Manitoba. Die Promotion legte er bei Robert Dicke an der Princeton University ab und wechselte dabei von der Teilchenphysik zur Kosmologie. Diesem Forschungsgebiet und der Princeton University blieb er während seiner gesamten Karriere treu – und lieferte entscheidende theoretische Beiträge, um die Kosmologie zu der exakten Wissenschaft zu machen, die sie heute ist. Dabei nutzte er ab Mitte der 1960er-Jahre verschiedene astronomische Beobachtungen, um die heute als Standardmodell der Kosmologie bekannte Urknalltheorie auf eine solide theoretische Basis zu stellen.

Insbesondere ist es seiner theoretischen Beschreibung zu verdanken, dass die Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung heute dazu dient, die Geschichte unseres Universums zu rekonstruieren: vom Urknall über Inflationsphase und primordiale Nukleosynthese bis zur Entkopplung von Strahlung und Materie und der anschließenden Bildung erster Sterne und Galaxien und den Übergang in die Phase der beschleunigten Expansion durch die Dunkle Energie.

Peebles erkannte, dass die sichtbare Materie, die sich heute in Form von Sternen und Galaxien beobachten lässt, nur einen Bruchteil der Dynamik und Strukturen im Universum beschreiben kann. Stattdessen machen Dunkle Materie und Dunkle Energie zusammen 95 Prozent der Energiedichte im Universum aus. Seine Entdeckungen zeigen aber auch, dass dieses Verhältnis sich im Laufe der Entwicklung des Universums verändert: Beispielsweise spielte die Dunkle Energie zum Zeitpunkt der Entkopplung der kosmischen Hintergrundstrahlung noch keine Rolle.

Auf ganz andere Weise haben der 1942 in Echallens, Schweiz, geborene Michel Mayor und der 53 Jahre alte Didier Queloz unser Bild von der Erde im Universum revolutioniert. Mayor studierte Physik an der Universität Lausanne und promovierte am Observatorium Genf, wo er 1995 zusammen mit seinem damaligen Mitarbeiter Didier Queloz den ersten extrasolaren Planeten im Orbit um einen sonnenähnlichen Stern entdeckte. Queloz hat an der Universität Genf studiert und promoviert. Heute ist er dort ebenso als Professor tätig wie am Cavendish Laboratorium der Universität Cambridge. Zwanzig Jahre später war er auch an der Entdeckung des ersten erdähnlichen Exoplaneten beteiligt.

Während fast drei Viertel der heute bekannten Exoplaneten mit der empfindlichen Transitmethode beispielsweise durch das Weltraumteleskop Kepler nachgewiesen wurden, nutzten Mayor und Queloz für ihre ausgezeichnete Entdeckung die Messung der Radialgeschwindigkeit des Sterns. Die Geschwindigkeit variiert etwas, weil sich der Stern durch den Planeten leicht um den gemeinsamen Schwerpunkt bewegt. Der Doppler-Effekt führt dann dazu, dass sich diese Bewegung in einer alternierenden Blau- und Rotverschiebung im Spektrum des Sterns zeigt. Aus der Frequenz kann man die Umlaufdauer des Planeten ablesen und bei bekannter Bahnneigung und Masse des Sterns auch die Masse des Planeten bestimmen.

Der Planet Dimidium (51 Pegasi b), den Mayor und Queloz entdeckten, ist ein so genannter heißer Jupiter: Er besitzt etwa die halbe Masse unseres Jupiters, umkreist seinen Mutterstern Helvetios (51 Pegasi) aber in nur 4,2 Tagen auf einer wenig exzentrischen Bahn in einem Abstand von nur fünf Prozent der Entfernung von Sonne und Erde. Bis zu seinem Nachweis ging man davon aus, dass alle Planetensysteme um sonnenähnliche Sterne ähnlich dem unseren aufgebaut wären. Heute, mehr als 4000 entdeckte Exoplaneten später, steht fest, dass die Vielfalt keine Grenzen kennt. Die Erklärung der Beobachtungen hilft auch dabei, die Entstehung und Entwicklung unseres Sonnensystems besser zu verstehen.

Mit dem Nobelpreis für Physik 2019 zeichnet die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften drei Forscher aus, die jeder auf seine Weise dazu beigetragen haben, die Entwicklung des Universums und den Platz der Erde im Kosmos besser zu verstehen.

Kerstin Sonnabend

Weitere Informationen

• Nobelpreis für Physik 2019
• Wissenschaftlicher Hintergrund zum Nobelpreis für Physik 2019 (PDF)
• Nobelpreis für Physik 2011 „für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums“
• Nobelpreis für Physik 1978 „für die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung“

Weitere Beiträge

• Physik Journal-Dossier „Kosmologie“
• Lisa Kaltenegger, Die Suche nach der zweiten Erde, Physik Journal, Februar 2012, S. 25 (PDF)
• Bruno Leibundgut, Eins-a-Vermessung des Universums, Physik Journal, Dezember 2011, S. 27 (PDF)
• Joachim Wambsganß, Planeten um andere Sonnen, Physik Journal, Mai 2009, S. 49 (PDF)