Vuosisatojen ajan olemme ylimielisesti uskoneet, että olemme löytäneet melkein kaikki vastaukset syvimpiin kysymyksiimme. Tutkijoiden mielestä Newtonin mekaniikka kuvaili kaiken, kunnes he löysivät valon aallon luonteen. Fyysikot ajattelivat, että kun Maxwell yhdisti sähkömagnetismin, se oli maaliviiva, mutta sitten tuli suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka. Monien mielestä aineen luonne oli täysin selvä, kun löysimme protonin, neutronin ja elektronin, mutta sitten kompastuimme korkean energian hiukkasiin. Vain 25 vuodessa viisi uskomatonta löytöä on muokannut käsitystämme maailmankaikkeudesta, ja jokainen lupaa eeppisen vallankumouksen. Elämme hämmästyttävää aikaa: meillä on mahdollisuus tutustua kaikkien asioiden salaisuuksien syvyyteen.
Neutrino-massa
Kun aloimme laskea paperilta auringosta tulevia neutriinoja, saimme numeron, joka perustuu sisällä tapahtuvaan fuusioon. Mutta kun aloimme tosiasiallisesti laskea auringosta tulevia neutriinoja, näimme vain kolmanneksen odotetusta. Miksi? Vastaus syntyi vasta äskettäin, kun aurinko- ja ilmakehän neutriinojen mittausten yhdistelmä osoitti, että ne voisivat heilahtaa tyypistä toiseen. Koska heillä on massa.
Mitä tämä tarkoittaa astrofysiikalle. Neutriinot ovat maailmankaikkeuden yleisimpiä massiivisia hiukkasia: niitä on miljardi kertaa enemmän kuin elektroneja. Jos heillä on massa, seuraa:
- ne muodostavat murto-osan pimeästä aineesta, - pudota galaktisiin rakenteisiin, Mainosvideo:
- muodostavat mahdollisesti outon astrofyysisen tilan, joka tunnetaan nimellä fermionikondensaatti,
- voi liittyä pimeään energiaan.
Jos neutriinoilla on massa, ne voivat myös olla Majorana-hiukkasia (ei yleisempien Dirac-tyyppisten hiukkasten sijasta), mikä tarjoaa uuden tyyppisen ydinvoiman hajoamisen. Heillä voi olla myös erittäin painavia vasenkätisiä serkkuja, jotka selittävät pimeän aineen. Neutriinot kantavat myös suurimman osan supernoovien energiasta, ovat vastuussa neutronitähtien jäähdytyksestä, vaikuttavat Suuren räjähdyksen jälkivaloon (CMB) ja ovat olennainen osa modernia kosmologiaa ja astrofysiikkaa.
Kiihtyvä maailmankaikkeus
Jos maailmankaikkeus alkaa kuumalla Suurella Bangilla, sillä on kaksi tärkeää ominaisuutta: alkuperäinen laajenemisnopeus ja alkuaine / säteily / energiatiheys. Jos tiheys olisi liian suuri, maailmankaikkeus yhdistyisi jälleen; jos se on liian pieni, maailmankaikkeus laajenisi ikuisesti. Mutta universumissamme tiheys ja laajeneminen eivät ole vain täysin tasapainossa, mutta pieni osa tästä energiasta tulee pimeän energian muodossa, mikä tarkoittaa, että maailmankaikkeutemme alkoi kasvaa nopeasti 8 miljardin vuoden kuluttua ja on jatkunut samassa hengessä sen jälkeen.
Mitä tämä tarkoittaa astrofysiikalle. Ensimmäistä kertaa ihmiskunnan historiassa pystyimme oppimaan vähän maailmankaikkeuden kohtalosta. Kaikki esineet, jotka eivät ole painovoimaisesti yhteydessä toisiinsa, hajoavat lopulta, mikä tarkoittaa, että kaikki paikallisen ryhmämme ulkopuolella lentävät jonain päivänä. Mutta mikä on pimeän energian luonne? Onko tämä todella kosmologinen vakio? Liittyykö se kvanttityhjiöön? Voisiko se olla kenttä, jonka vahvuus muuttuu ajan myötä? Tulevat tehtävät, kuten ESA: n Euclid, NASA: n WFIRST ja uudet 30 metrin teleskoopit, mahdollistavat tarkemman pimeän energian mittaamisen ja antavat meille mahdollisuuden kuvata tarkasti kuinka maailmankaikkeus kiihtyy. Loppujen lopuksi, jos kiihtyvyys kasvaa, maailmankaikkeus päättyy isoon ripaan; jos se putoaa, suurella puristuksella. Koko maailmankaikkeuden kohtalo on vaakalaudalla.
Eksoplaneetit
Sukupolvi sitten ajattelimme, että muiden tähtijärjestelmien lähellä oli planeettoja, mutta meillä ei ollut todisteita tämän väitteen tueksi. Tällä hetkellä olemme suurelta osin NASA Kepler -operaation ansiosta löytäneet ja testanneet tuhansia näistä. Monet aurinkokunnat ovat erilaisia kuin meidän: jotkut sisältävät supermaapalloja tai minineptuuneja; jotkut sisältävät kaasujätteitä aurinkokunnan sisätiloissa; Useimmat sisältävät maapallon kokoisia maailmoja juuri oikealla etäisyydellä pienistä, himmeistä, punaisista kääpiötähdistä, jotta nestemäistä vettä voisi olla pinnalla. Paljon on vielä nähtävissä.
Mitä tämä tarkoittaa astrofysiikalle. Ensimmäistä kertaa historiassa olemme löytäneet maailmoja, jotka voivat olla potentiaalisia ehdokkaita elämään. Olemme lähempänä kuin koskaan ennen havaitsemaan merkkejä vieraasta elämästä maailmankaikkeudessa. Ja monissa näistä maailmoista voi joskus asua ihmiskolonioita, jos päätämme mennä tälle tielle. 2000-luvulla alamme tutkia näitä mahdollisuuksia: mitata näiden maailmojen ilmakehää ja etsiä elämän merkkejä, lähettää avaruuskoettimia merkittävällä nopeudella, analysoida niiden samankaltaisuutta maapallon kanssa sellaisten ominaisuuksien suhteen kuin valtameret ja maanosat, pilvisyys, ilmakehän happipitoisuus, ajat vuoden. Koskaan maailmankaikkeuden historiassa ei ole ollut sopivampaa hetkeä tähän.
Higgsin bosoni
Higgsin hiukkasen löytäminen 2010-luvun alkupuolella sai lopulta valmiiksi alkeishiukkasten standardimallin. Higgsin bosonin massa on noin 126 GeV / s2, se hajoaa 10-24 sekunnin kuluttua ja hajoaa täsmälleen standardimallin ennustamana. Tämän hiukkasen käyttäytymisessä ei ole merkkejä uudesta fysiikasta vakiomallin ulkopuolella, ja se on iso ongelma.
Mitä tämä tarkoittaa astrofysiikalle. Miksi Higgsin massa on paljon pienempi kuin Planckin massa? Tämä kysymys voidaan muotoilla eri tavoin: miksi painovoima on niin heikompi kuin muut voimat? Mahdollisia ratkaisuja on monia: supersymmetria, ylimääräiset mitat, perustavanlaatuiset herätteet (konforminen ratkaisu), Higgs komposiittihiukkasena (technicolor) jne. Mutta toistaiseksi näillä ratkaisuilla ei ole todisteita, ja onko katsottu tarpeeksi huolellisesti?
Jossakin tasolla on oltava jotain pohjimmiltaan uutta: uudet hiukkaset, uudet kentät, uudet voimat jne. Kaikilla niillä on luonteeltaan astrofysikaalisia ja kosmologisia seurauksia, ja kaikki nämä vaikutukset riippuvat mallista. Jos hiukkasten fysiikka, esimerkiksi LHC: ssä, ei anna uusia vihjeitä, ehkä astrofysiikka antaa. Mitä tapahtuu korkeimmilla energioilla ja lyhyimmillä etäisyyksillä? Suuri räjähdys - ja kosmiset säteet - toivat meille korkeimmat energiat kuin voimakkaimmalla hiukkaskiihdyttimellämme voisi koskaan olla. Seuraava avain yhden suurimman fysiikan ongelman ratkaisemiseen voi tulla avaruudesta, ei maapallolta.
Painovoima-aallot
101 vuoden ajan tämä on ollut astrofysiikan pyhä graali: suorien todisteiden etsiminen Einsteinin suurimmasta todistamattomasta ennustuksesta. Kun Advanced LIGO siirtyi verkkoon vuonna 2015, se pystyi saavuttamaan herkkyyden, joka tarvitaan havaitsemaan aaltoiluja avaruudessa maailmankaikkeuden lyhimmän aallonpituuden gravitaatioaaltojen lähteestä: kelaamalla ja yhdistämällä mustia aukkoja. Kaksi vahvistettua havaintoa vyönsä alla (ja kuinka monta muuta tulee olemaan), Advanced LIGO on ottanut gravitaatioaaltotähtitieteen fantasiasta todellisuuteen.
Mitä tämä tarkoittaa astrofysiikalle. Tähtitiede on tähän asti ollut riippuvainen valosta gammasäteistä näkyvään spektriin, mikroaaltouuni- ja radiotaajuuksiin. Mutta väreiden havaitseminen avaruudessa on täysin uusi tapa tutkia maailmankaikkeuden astrofyysisiä ilmiöitä. Oikeilla ilmaisimilla, joilla on oikea herkkyys, voimme nähdä:
- neutronitähtien yhdistäminen (ja selvitä, aiheuttavatko ne gammasäteilyä);
- valkoisten kääpiöiden sulautuminen (ja niihin liitetään tyypin Ia supernovat);
- supermassiiviset mustat aukot, jotka syövät muita massoja;
- supernoovien painovoima-aaltomerkit;
- pulsarien allekirjoitukset
- jäljellä olevat gravitaatioaaltoallekirjoitukset maailmankaikkeuden syntymästä, mahdollisesti.
Nyt painovoima-aallotähtitiede on vasta kehityksen alussa, tuskin tulossa todistetuksi kentäksi. Seuraavat vaiheet ovat herkkyys- ja taajuusalueen lisääminen sekä gravitaatiotaivalla nähdyn vertaaminen optiseen taivaaseen. Tulevaisuus on tulossa.
Ja emme puhu muista upeista pulmista. On pimeää ainetta: Yli 80% maailmankaikkeuden massasta on täysin näkymätön valolle ja tavalliselle (atomi) aineelle. Baryogeneesissä on ongelma: miksi maailmankaikkeutemme on täynnä ainetta eikä antimateriaa, vaikka jokainen reaktio, jonka olemme koskaan havainneet, on aineessa ja antiaineessa täysin symmetrinen. Mustilla aukoilla, kosmisella inflaatiolla on paradokseja, eikä onnistunutta kvanttiteorian painovoimaa ole vielä luotu.
On aina houkuttelevaa ajatella, että parhaat päivämme ovat takanamme ja että tärkeimmät ja vallankumoukselliset löydöt on jo tehty. Mutta jos haluamme ymmärtää kaikkien suurimmat kysymykset - mistä maailmankaikkeus tuli, mistä se itse asiassa koostuu, miten se ilmestyi ja mihin se menee, miten se päättyy - meillä on vielä paljon tehtävää. Teleskoopeilla, joiden koko, kantama ja herkkyys on ennennäkemätön, voimme oppia enemmän kuin koskaan tienneet. Voittoa ei koskaan taata, mutta jokainen tekemämme askel tuo meidät yhden askeleen lähemmäksi määränpäätä. Ei ole väliä minne tämä matka vie, tärkeintä on, että se on uskomaton.