От векове ние високомерно вярваме, че сме намерили почти всички отговори на най-дълбоките си въпроси. Учените смятат, че нютоновата механика описва всичко, докато не открие вълновата природа на светлината. Физиците смятаха, че когато Максуел обедини електромагнетизма, това беше финалната линия, но след това се появиха теорията на относителността и квантовата механика. Мнозина смятаха, че природата на материята е напълно ясна, когато открихме протона, неутрона и електрона, но след това попаднахме на високоенергийни частици. Само за 25 години пет невероятни открития са променили нашето разбиране за Вселената и всяко едно обещава голяма революция. Живеем в невероятно време: имаме възможността да разгледаме дълбочината на загадките на всички неща.
Неутринна маса
Когато започнахме да броим на хартия неутрините, които идват от Слънцето, получихме число въз основа на синтеза, който трябва да се извършва вътре. Но когато всъщност започнахме да броим неутрино, идващи от Слънцето, видяхме само една трета от очакваното. Защо? Отговорът се появи наскоро, когато комбинация от измервания на слънчеви и атмосферни неутрино показа, че те могат да се колебаят от един тип на друг. Защото те имат маса.
Какво означава това за астрофизиката. Неутрините са най-разпространените масивни частици във Вселената: има милиард пъти повече от електроните. Ако те имат маса, следва, че:
- те съставляват част от тъмната материя, - попадат в галактически структури, Промоционално видео:
- евентуално да образуват странно астрофизично състояние, известно като фермионен кондензат,
- може да е свързано с тъмна енергия.
Ако неутрино имат маса, те също могат да бъдат частици Majorana (а не по-често срещаните частици тип Dirac), осигурявайки нов тип ядрен разпад. Може да имат и свръхтежки братя левичари, които биха могли да обяснят тъмната материя. Неутрините също носят по-голямата част от енергията в свръхновите, отговарят за охлаждането на неутронните звезди, влияят на последващото сияние на Големия взрив (CMB) и са съществена част от съвременната космология и астрофизика.
Ускоряващата Вселена
Ако Вселената започне с горещ Голям взрив, тя ще има две важни свойства: първоначална скорост на разширяване и начална плътност на материята / радиацията / енергията. Ако плътността беше твърде голяма, Вселената щеше да се събере отново; ако е твърде малка, Вселената ще се разшири завинаги. Но в нашата Вселена плътността и разширяването са не само перфектно балансирани, но малка част от тази енергия идва под формата на тъмна енергия, което означава, че нашата Вселена започва да се разширява бързо след 8 милиарда години и оттогава продължава в същия дух.
Какво означава това за астрофизиката. За първи път в историята на човечеството получихме възможността да научим малко за съдбата на Вселената. Всички обекти, които не са гравитационно свързани помежду си, в крайна сметка ще се разпръснат, което означава, че всичко извън нашата местна група един ден ще отлети. Но каква е природата на тъмната енергия? Това наистина ли е космологична константа? Свързано ли е с квантовия вакуум? Може ли да е поле, чиято сила се променя с времето? Бъдещи мисии като Euclid на ESA, WFIRST на НАСА и нови 30-метрови телескопи ще позволят по-точни измервания на тъмната енергия и ще ни позволят да характеризираме точно как Вселената се ускорява. В крайна сметка, ако ускорението се увеличи, Вселената ще завърши с Голям разкъсване; ако падне, с Голяма компресия. Заложена е съдбата на цялата Вселена.
Екзопланети
Преди едно поколение смятахме, че има планети в близост до други звездни системи, но нямахме доказателства в подкрепа на тази теза. В момента, до голяма степен благодарение на мисията на НАСА Кеплер, ние открихме и тествахме хиляди от тях. Много слънчеви системи са различни от нашата: някои съдържат суперземли или мини-Нептун; някои съдържат газови гиганти във вътрешността на слънчевите системи; повечето съдържат светове с размерите на Земята на правилното разстояние от малки, слаби, червени джуджета звезди, за да съществува течна вода на повърхността. И все пак предстои да видим много.
Какво означава това за астрофизиката. За първи път в историята открихме светове, които биха могли да бъдат потенциални кандидати за живот. Ние сме по-близо от всякога до откриването на признаци на извънземен живот във Вселената. И много от тези светове може някой ден да са дом на човешки колонии, ако решим да поемем по този път. През 21 век ще започнем да изследваме тези възможности: измерваме атмосферите на тези светове и търсим признаци на живот, изпращаме космически сонди със значителна скорост, анализираме ги за сходство със Земята по отношение на такива характеристики като океани и континенти, облачна покривка, съдържание на кислород в атмосферата, времена на годината. Никога в историята на Вселената не е имало по-подходящ момент за това.
Хигс бозон
Откриването на частицата на Хигс в началото на 2010-те окончателно завърши Стандартния модел на елементарните частици. Бозонът на Хигс има маса около 126 GeV / s2, разпада се след 10-24 секунди и се разпада точно както е предвидено от стандартния модел. В поведението на тази частица няма признаци на нова физика извън стандартния модел и това е голям проблем.
Какво означава това за астрофизиката. Защо масата на Хигс е много по-малка от масата на Планк? Този въпрос може да бъде формулиран по различни начини: защо гравитационната сила е толкова по-слаба от останалите сили? Има много възможни решения: суперсиметрия, допълнителни размери, фундаментални възбуждания (конформно решение), Хигс като съставна частица (техниколор) и др. Но досега тези решения нямат доказателства и дали сме търсили достатъчно внимателно?
На някакво ниво трябва да има нещо принципно ново: нови частици, нови полета, нови сили и т. Н. Всички те по своята същност ще имат астрофизични и космологични последици и всички тези ефекти зависят от модела. Ако физиката на частиците, например в LHC, не дава нови намеци, може би астрофизиката ще го направи. Какво се случва при най-високите енергии и на най-късите разстояния? Големият взрив - и космическите лъчи - ни донесоха най-високите енергии, отколкото най-мощният ни ускорител на частици би могъл да има. Следващият ключ към решаването на един от най-големите проблеми във физиката може да дойде от космоса, а не от Земята.
Гравитационни вълни
В продължение на 101 години това е свещеният граал на астрофизиката: търсенето на преки доказателства за най-голямото недоказано предсказание на Айнщайн. Когато Advanced LIGO излезе онлайн през 2015 г., той успя да постигне чувствителността, необходима за откриване на вълни в пространството-време от най-късата дължина на вълната на гравитационни вълни във Вселената: навиване и сливане на черни дупки. С две потвърдени засичания под пояса си (и колко повече ще бъдат), Advanced LIGO превръща астрономията на гравитационните вълни от фантазия в реалност.
Какво означава това за астрофизиката. Цялата астрономия досега е била зависима от светлината, от гама лъчи до видимия спектър, микровълнови и радиочестоти. Но откриването на вълни в пространството-времето е изцяло нов начин за изучаване на астрофизичните явления във Вселената. С правилните детектори с правилната чувствителност можем да видим:
- сливане на неутронни звезди (и разберете дали те създават изблици на гама лъчи);
- сливането на бели джуджета (и ние свързваме свръхнови тип Ia с тях);
- свръхмасивни черни дупки, поглъщащи други маси;
- гравитационни вълнови сигнатури на свръхнови;
- подписи на пулсари;
- остатъчни гравитационни вълнови сигнатури на раждането на Вселената, евентуално.
Сега астрономията на гравитационните вълни е в самото начало на своето развитие, едва ли се превръща в доказано поле. Следващите стъпки ще бъдат увеличаване на обхвата на чувствителност и честоти, както и сравняване на видяното в гравитационното небе с оптичното небе. Бъдещето идва.
И не говорим за други страхотни пъзели. Има тъмна материя: повече от 80% от масата на Вселената е напълно невидима за светлината и обикновената (атомна) материя. Има проблемът с бариогенезата: защо нашата Вселена е пълна с материя, а не с антиматерия, въпреки че всяка реакция, която някога сме наблюдавали, е напълно симетрична по материя и антиматерия. Има парадокси на черните дупки, космическата инфлация и все още не е създадена успешна квантова теория на гравитацията.
Винаги е изкушаващо да мислим, че най-добрите ни дни са зад нас и че най-важните и революционни открития вече са направени. Но ако искаме да разберем най-големите въпроси от всички - откъде е дошла Вселената, от какво всъщност се състои, как се е появила и къде отива, как ще завърши - имаме още много работа. С безпрецедентни по размер, обхват и чувствителност телескопи можем да научим повече, отколкото някога сме знаели. Победата никога не е гарантирана, но всяка стъпка, която предприемаме, ни приближава с една крачка до нашата дестинация. Няма значение къде ще ни отведе това пътуване, основното е, че ще бъде невероятно.