Przez wieki arogancko wierzyliśmy, że znaleźliśmy prawie wszystkie odpowiedzi na nasze najgłębsze pytania. Naukowcy sądzili, że mechanika Newtona opisała wszystko, dopóki nie odkryli falowej natury światła. Fizycy myśleli, że kiedy Maxwell ujednolicił elektromagnetyzm, to była to linia mety, ale potem pojawiła się teoria względności i mechanika kwantowa. Wielu uważało, że natura materii jest całkowicie jasna, gdy znaleźliśmy proton, neutron i elektron, ale potem natknęliśmy się na cząstki o wysokiej energii. W ciągu zaledwie 25 lat pięć niesamowitych odkryć zmieniło nasze rozumienie wszechświata, a każde z nich obiecuje epicką rewolucję. Żyjemy w niesamowitym czasie: mamy okazję zajrzeć do głębi tajemnic wszystkich rzeczy.
Masa neutrinowa
Kiedy zaczęliśmy liczyć na papierze neutrina pochodzące ze Słońca, otrzymaliśmy liczbę opartą na fuzji, która musi zachodzić wewnątrz. Ale kiedy faktycznie zaczęliśmy liczyć neutrina pochodzące ze Słońca, widzieliśmy tylko jedną trzecią tego, czego się spodziewaliśmy. Czemu? Odpowiedź pojawiła się dopiero niedawno, gdy połączenie pomiarów neutrin słonecznych i atmosferycznych wykazało, że mogą one oscylować od jednego typu do drugiego. Ponieważ mają masę.
Co to oznacza dla astrofizyki. Neutrina to najbardziej rozpowszechnione masywne cząstki we Wszechświecie: jest ich miliard razy więcej niż elektronów. Jeśli mają masę, wynika z tego, że:
- stanowią ułamek ciemnej materii, - wpadać w struktury galaktyczne, Film promocyjny:
- prawdopodobnie uformować dziwny stan astrofizyczny znany jako kondensat fermionu,
- może wiązać się z ciemną energią.
Jeśli neutrina mają masę, mogą to być również cząstki Majorany (zamiast bardziej powszechnych cząstek typu Diraca), zapewniając nowy rodzaj rozpadu jądrowego. Mogli także mieć super ciężkich leworęcznych kuzynów, którzy mogliby wyjaśniać ciemną materię. Neutrina przenoszą również większość energii w supernowych, są odpowiedzialne za chłodzenie gwiazd neutronowych, wpływają na poświatę Wielkiego Wybuchu (KMPT) i są istotną częścią współczesnej kosmologii i astrofizyki.
Przyspieszający Wszechświat
Jeśli Wszechświat zacznie się od gorącego Wielkiego Wybuchu, będzie miał dwie ważne właściwości: początkową szybkość ekspansji i początkową gęstość materii / promieniowania / energii. Gdyby gęstość była zbyt duża, wszechświat zostałby ponownie zjednoczony; gdyby był zbyt mały, wszechświat rozszerzałby się na zawsze. Ale w naszym Wszechświecie gęstość i ekspansja są nie tylko doskonale zrównoważone, ale niewielki ułamek tej energii występuje w postaci ciemnej energii, co oznacza, że nasz Wszechświat zaczął się gwałtownie rozszerzać po 8 miliardach lat i od tamtej pory trwa w tym samym duchu.
Co to oznacza dla astrofizyki. Po raz pierwszy w historii ludzkości mieliśmy okazję dowiedzieć się trochę o losach wszechświata. Wszystkie obiekty, które nie są ze sobą połączone grawitacyjnie, w końcu się rozproszą, co oznacza, że wszystko poza naszą lokalną grupą pewnego dnia odleci. Ale jaka jest natura ciemnej energii? Czy to naprawdę stała kosmologiczna? Czy ma to związek z próżnią kwantową? Czy może to być pole, którego siła zmienia się w czasie? Przyszłe misje, takie jak Euclid ESA, WFIRST NASA i nowe 30-metrowe teleskopy pozwolą na dokładniejsze pomiary ciemnej energii i pozwolą nam dokładnie scharakteryzować przyspieszenie wszechświata. W końcu, jeśli przyspieszenie wzrośnie, Wszechświat zakończy się Wielkim Rozdarciem; jeśli spadnie, Big Compression. W grę wchodzi los całego wszechświata.
Egzoplanety
Pokolenie temu myśleliśmy, że w pobliżu innych układów gwiazdowych znajdują się planety, ale nie mieliśmy dowodów na poparcie tej tezy. Obecnie, w dużej mierze dzięki misji NASA Kepler, znaleźliśmy i przetestowaliśmy ich tysiące. Wiele systemów słonecznych różni się od naszego: niektóre zawierają super-ziemie lub mini-Neptuny; niektóre zawierają gazowe olbrzymy we wnętrzu układów słonecznych; większość zawiera światy wielkości Ziemi w odpowiedniej odległości od maleńkich, słabych, czerwonych karłów, aby na powierzchni istniała woda w stanie ciekłym. Jednak wiele pozostaje do zobaczenia.
Co to oznacza dla astrofizyki. Po raz pierwszy w historii odkryliśmy światy, które mogą być potencjalnymi kandydatami do życia. Jesteśmy bliżej niż kiedykolwiek wcześniej do wykrycia oznak obcego życia we wszechświecie. I wiele z tych światów może pewnego dnia stać się domem dla ludzkich kolonii, jeśli zdecydujemy się pójść tą drogą. W XXI wieku zaczniemy badać te możliwości: mierzyć atmosfery tych światów i szukać oznak życia, wysyłać sondy kosmiczne ze znaczną prędkością, analizować je pod kątem podobieństwa do Ziemi pod kątem takich cech jak oceany i kontynenty, zachmurzenie, zawartość tlenu w atmosferze, czasy roku. Nigdy w historii wszechświata nie było na to bardziej odpowiedniego momentu.
bozon Higgsa
Odkrycie cząstki Higgsa na początku 2010 roku ostatecznie dopełniło modelu standardowego cząstek elementarnych. Bozon Higgsa ma masę około 126 GeV / s2, rozpada się po 10-24 sekundach i rozpada się dokładnie tak, jak przewidział Model Standardowy. Nie ma śladu nowej fizyki poza modelem standardowym w zachowaniu tej cząstki i to jest duży problem.
Co to oznacza dla astrofizyki. Dlaczego masa Higgsa jest znacznie mniejsza niż masa Plancka? To pytanie można sformułować na różne sposoby: dlaczego siła grawitacji jest tak słabsza niż inne siły? Możliwych jest wiele rozwiązań: supersymetria, dodatkowe wymiary, podstawowe wzbudzenia (rozwiązanie konformalne), Higgsa jako cząstka kompozytowa (technikolor) itp. Ale jak dotąd rozwiązania te nie mają dowodów i czy przyjrzeliśmy się wystarczająco uważnie?
Na pewnym poziomie musi być coś zasadniczo nowego: nowe cząstki, nowe pola, nowe siły itp. Wszystkie one ze swej natury będą miały astrofizyczne i kosmologiczne konsekwencje, a wszystkie te efekty zależą od modelu. Jeśli fizyka cząstek elementarnych, na przykład w LHC, nie dostarcza żadnych nowych wskazówek, być może astrofizyka tak. Co dzieje się przy największych energiach i na najmniejszych odległościach? Wielki Wybuch - i promienie kosmiczne - przyniosły nam najwyższe energie, jakie mógł mieć nasz najpotężniejszy akcelerator cząstek. Następny klucz do rozwiązania jednego z największych problemów fizyki może pochodzić z kosmosu, a nie z Ziemi.
Fale grawitacyjne
Przez 101 lat był to święty Graal astrofizyki: poszukiwanie bezpośrednich dowodów największej nieudowodnionej przepowiedni Einsteina. Kiedy Advanced LIGO wszedł do sieci w 2015 roku, był w stanie osiągnąć czułość potrzebną do wykrywania zmarszczek w czasoprzestrzeni ze źródła fal grawitacyjnych o najkrótszej długości we wszechświecie: zwijających się i koalescencyjnych czarnych dziur. Mając na swoim koncie dwa potwierdzone wykrycia (i ilu jeszcze będzie), Advanced LIGO przeniosło astronomię fal grawitacyjnych z fantazji do rzeczywistości.
Co to oznacza dla astrofizyki. Cała astronomia do tej pory była zależna od światła, od promieni gamma po widmo widzialne, mikrofale i częstotliwości radiowe. Jednak wykrywanie zmarszczek w czasoprzestrzeni to zupełnie nowy sposób badania zjawisk astrofizycznych we wszechświecie. Dzięki odpowiednim detektorom o odpowiedniej czułości możemy zobaczyć:
- łączenie się gwiazd neutronowych (i dowiedz się, czy tworzą one rozbłyski gamma);
- łączenie się białych karłów (i kojarzymy z nimi supernowe typu Ia);
- supermasywne czarne dziury pożerające inne masy;
- sygnatury fal grawitacyjnych supernowych;
- sygnatury pulsarów;
- prawdopodobnie szczątkowe sygnatury fal grawitacyjnych narodzin Wszechświata.
Obecnie astronomia fal grawitacyjnych znajduje się na samym początku rozwoju i nie staje się sprawdzoną dziedziną. Kolejnym krokiem będzie zwiększenie zakresu czułości i częstotliwości, a także dopasowanie tego, co widać na niebie grawitacyjnym z niebem optycznym. Nadchodzi przyszłość.
I nie mówimy o innych świetnych łamigłówkach. Istnieje ciemna materia: ponad 80% masy Wszechświata jest całkowicie niewidoczne dla światła i zwykłej (atomowej) materii. Istnieje problem barogenezy: dlaczego nasz wszechświat jest pełen materii, a nie antymaterii, mimo że każda reakcja, jaką kiedykolwiek zaobserwowaliśmy, jest całkowicie symetryczna w materii i antymaterii. Istnieją paradoksy czarnych dziur, kosmicznej inflacji, a skuteczna kwantowa teoria grawitacji nie została jeszcze stworzona.
Zawsze kusi mnie myśl, że nasze najlepsze dni już za nami, a najważniejsze i rewolucyjne odkrycia zostały już dokonane. Ale jeśli chcemy zrozumieć największe pytania ze wszystkich - skąd się wziął Wszechświat, z czego właściwie się składa, jak się pojawił i dokąd zmierza, jak to się skończy - wciąż mamy dużo pracy. Dzięki teleskopom o niespotykanej dotąd wielkości, zasięgu i czułości możemy dowiedzieć się więcej, niż kiedykolwiek wiedzieliśmy. Zwycięstwo nigdy nie jest gwarantowane, ale każdy nasz krok przybliża nas o krok do celu. Nie ma znaczenia, dokąd zaprowadzi nas ta podróż, najważniejsze jest to, że będzie niesamowita.