Sajandeid oleme ülemeelikult uskunud, et oleme oma sügavaimatele küsimustele leidnud peaaegu kõik vastused. Teadlaste arvates kirjeldas Newtoni mehaanika kõike, kuni nad avastasid valguse lainelise olemuse. Füüsikud arvasid, et kui Maxwell ühendas elektromagnetismi, oli see finišijoon, kuid siis tulid relatiivsusteooria ja kvantmehaanika. Paljude arvates oli aine olemus prootoni, neutroni ja elektroni leidmisel täiesti selge, kuid siis komistasime suure energiaga osakeste otsa. Ainult 25 aasta jooksul on viis uskumatut avastust kujundanud meie arusaama universumist ja igaüks neist lubab eepilist revolutsiooni. Me elame hämmastaval ajal: meil on võimalus vaadata kõigi asjade saladuste sügavusse.
Neutriinomass
Kui hakkasime paberilt lugema Päikesest pärinevaid neutriinosid, saime arvu, mis põhineb sulandumisel, mis peab toimuma sees. Kuid kui hakkasime tegelikult lugema Päikesest tulevate neutriinode arvu, nägime ainult kolmandikku oodatust. Miks? Vastus ilmnes alles hiljuti, kui päikese ja atmosfääri neutriinode mõõtmiste kombinatsioon näitas, et need võivad võnkuda ühest tüübist teise. Sest neil on mass.
Mida see astrofüüsika jaoks tähendab. Neutriinod on Universumi kõige arvukamad massilised osakesed: neid on miljard korda rohkem kui elektrone. Kui neil on mass, järeldub, et:
- need moodustavad murdosa tumeainest, - langevad galaktilistesse struktuuridesse, Reklaamvideo:
- võivad moodustada kummalise astrofüüsikalise seisundi, mida tuntakse fermionkondensaadina,
- võib olla seotud tumeda energiaga.
Kui neutriinodel on mass, võivad need olla ka Majorana osakesed (mitte tavalisemad Dirac-tüüpi osakesed), pakkudes uut tüüpi tuumade lagunemist. Neil võivad olla ka ülirasked vasakukäelised vennad, kes seletaksid tumeainet. Neutriinod kannavad ka suuremat osa supernoovades olevast energiast, vastutavad neutronitähtede jahutamise eest, mõjutavad Suure Paugu (CMB) järelvalgust ning on kaasaegse kosmoloogia ja astrofüüsika oluline osa.
Kiirenev universum
Kui Universum algab kuuma Suure Pauguga, on sellel kaks olulist omadust: esialgne paisumiskiirus ja esialgne aine / kiirgus / energia tihedus. Kui tihedus oleks liiga suur, oleks universum taasühendatud; kui see on liiga väike, laieneks universum igavesti. Kuid meie Universumis pole tihedus ja laienemine mitte ainult ideaalselt tasakaalus, vaid väike osa sellest energiast tuleb tumeda energia kujul, mis tähendab, et meie Universum hakkas kiiresti laienema 8 miljardi aasta pärast ja on jätkanud samas vaimus ka sellest ajast peale.
Mida see astrofüüsika jaoks tähendab. Esimest korda inimkonna ajaloos suutsime pisut õppida universumi saatust. Kõik objektid, mis pole omavahel gravitatsiooniliselt ühendatud, hajuvad lõpuks laiali, mis tähendab, et kõik, mis asub väljaspool meie kohalikku gruppi, lendab ühel päeval minema. Kuid mis on tumeda energia olemus? Kas see on tõesti kosmoloogiline konstant? Kas see on seotud kvantvaakumiga? Kas see võib olla valdkond, mille tugevus aja jooksul muutub? Tulevased missioonid nagu ESA Euclid, NASA WFIRST ja uued 30-meetrised teleskoobid võimaldavad tumeda energia täpsemat mõõtmist ja võimaldavad meil täpselt kirjeldada, kuidas universum kiireneb. Lõppude lõpuks, kui kiirendus suureneb, lõpeb Universum suure rebimisega; kui see kukub, siis suure kompressiooniga. Kaalul on kogu universumi saatus.
Eksoplaneedid
Põlvkond tagasi arvasime, et teiste tähesüsteemide läheduses on planeete, kuid meil pole selle teesi toetamiseks mingeid tõendeid. Praegu oleme suures osas tänu NASA Kepleri missioonile leidnud ja testinud tuhandeid. Paljud päikesesüsteemid erinevad meie omast: mõned sisaldavad super-Maad või mini-Neptuune; mõned sisaldavad päikesesüsteemide siseruumides gaasigigante; Enamik neist sisaldab Maa-suuruseid maailmu täpselt paraja kaugusel pisikestest, hämaratest, punastest kääbustähtedest, et pinnal oleks vedel vesi. Siiski on veel palju oodata.
Mida see astrofüüsika jaoks tähendab. Esimest korda ajaloos oleme avastanud maailmad, mis võiksid olla potentsiaalsed kandidaadid kogu eluks. Oleme tulnukate elu märkide avastamisele universumis lähemal kui kunagi varem. Ja paljud neist maailmadest võivad kunagi olla inimkolooniate koduks, kui otsustame selle tee minna. 21. sajandil hakkame neid võimalusi uurima: mõõtma nende maailmade atmosfääri ja otsima elumärke, saatma märkimisväärse kiirusega kosmosesonde, analüüsima nende sarnasust Maaga selliste omaduste osas nagu ookeanid ja mandrid, pilvekate, hapnikusisaldus atmosfääris, ajad aasta. Kunagi universumi ajaloos pole selleks sobivamat hetke olnud.
Higgsi boson
Higgsi osakese avastamine 2010. aastate alguses viis elementaarosakeste standardmudeli lõpuks lõpule. Higgsi bosoni mass on umbes 126 GeV / s2, see laguneb 10–24 sekundi pärast ja laguneb täpselt nii, nagu ennustas standardmudel. Selle osakese käitumises pole ühtegi märki uuest füüsikast väljaspool standardmudelit ja see on suur probleem.
Mida see astrofüüsika jaoks tähendab. Miks on Higgsi mass palju väiksem kui Plancki mass? Seda küsimust saab sõnastada erineval viisil: miks on gravitatsioonijõud nii nõrgem kui teised jõud? Võimalikke lahendusi on palju: supersümmeetria, lisamõõtmed, põhilised ergastused (konformne lahendus), Higgs kui liitosake (technicolor) jne. Kuid seni pole nendel lahendustel tõendeid ja kas me oleme piisavalt hoolega vaadanud?
Mingil tasandil peab olema midagi põhimõtteliselt uut: uued osakesed, uued väljad, uued jõud jne. Neil kõigil on oma olemuselt astrofüüsikalised ja kosmoloogilised tagajärjed ning kõik need mõjud sõltuvad mudelist. Kui osakeste füüsika, näiteks LHC-s, uusi vihjeid ei anna, võib-olla astrofüüsika annab. Mis juhtub kõige kõrgemate energiate ja lühimate vahemaade korral? Suur pauk - ja kosmilised kiired - tõid meile kõige kõrgemad energiad, kui meie võimsaim osakeste kiirendi eales olla võiks. Järgmine võti füüsika ühe suurima probleemi lahendamiseks võib tulla kosmosest, mitte Maalt.
Gravitatsioonilained
101 aasta jooksul on see olnud astrofüüsika püha graal: otseste tõendite otsimine Einsteini suurimast tõestamata ennustusest. Kui Advanced LIGO 2015. aastal veebi jõudis, suutis see saavutada tundlikkuse, mis on vajalik aeg-ajalt pulsatsioonide tuvastamiseks kosmose gravitatsioonilainete kõige lühemast laineallikast universumis: mustade aukude kokku keeramine ja ühendamine. Kaks kinnitatud avastust vöö all (ja kui palju neid veel tuleb) on Advanced LIGO viinud gravitatsioonilaine astronoomia fantaasiast reaalsusesse.
Mida see astrofüüsika jaoks tähendab. Kogu astronoomia on seni olnud sõltuv valgusest, alates gammakiirtest kuni nähtava spektri, mikrolaineahju ja raadiosagedusteni. Kuid lainete tuvastamine aegruumis on täiesti uus viis astrofüüsikaliste nähtuste uurimiseks universumis. Õige tundlikkusega õigete detektoritega näeme:
- neutronitähtede ühendamine (ja saate teada, kas need tekitavad gammakiirte purskeid);
- valgete kääbuste ühinemine (ja nendega seostame Ia tüüpi supernoovasid);
- teisi masse söövad supermassiivsed mustad augud;
- supernoovade gravitatsioonilaine allkirjad;
- pulsarite allkirjad;
- Universumi sünnijärgsed gravitatsioonilaine allkirjad, võimalik.
Nüüd on gravitatsioonilaine astronoomia arengu alguses, vaevalt tõestatud alaks. Järgmised sammud on tundlikkuse ja sageduste ulatuse suurendamine ning gravitatsioonitaevas nähtava võrdlemine optilise taevaga. Tulevik on tulemas.
Ja me ei räägi muudest suurepärastest mõistatustest. Seal on tumeaine: üle 80% Universumi massist on valguse ja tavalise (aatomi) aine jaoks täiesti nähtamatu. Siin on barüogeneesi probleem: miks on meie universum ainet täis, mitte antiaine, kuigi kõik reaktsioonid, mida oleme kunagi täheldanud, on aines ja antiaines täiesti sümmeetrilised. On mustade aukude, kosmilise inflatsiooni paradokse ja edukat gravitatsiooni kvantteooriat pole veel loodud.
Alati on ahvatlev mõelda, et meie parimad päevad on selja taga ja kõige olulisemad ning pöördelisemad avastused on juba tehtud. Kuid kui me tahame mõista kõigi suurimaid küsimusi - kust universum tuli, millest see tegelikult koosneb, kuidas see ilmus ja kuhu see läheb, kuidas see lõpeb - on meil veel palju tööd teha. Teleskoopidega, mille suurus, ulatus ja tundlikkus on enneolematu, saame õppida rohkem kui kunagi varem teadsime. Võit pole kunagi tagatud, kuid iga samm, mis me astume, viib meid sammukese lähemale sihtkohale. Pole tähtis, kuhu see teekond meid viib, peaasi, et see oleks uskumatu.
