Per šimtmečius įžūliai tikėjome, kad radome beveik visus atsakymus į giliausius klausimus. Mokslininkai manė, kad Niutono mechanika viską aprašė, kol atrado banginę šviesos prigimtį. Fizikai manė, kad kai Maksvelas suvienijo elektromagnetizmą, tai buvo finišo tiesioji linija, tačiau tada atsirado reliatyvumas ir kvantinė mechanika. Daugelis manė, kad materijos prigimtis yra visiškai aiški, kai radome protoną, neutroną ir elektroną, bet tada užklydome į didelės energijos daleles. Vos per 25 metus penki neįtikėtini atradimai pakeitė mūsų supratimą apie Visatą ir kiekvienas žada didelę revoliuciją. Mes gyvename nuostabiu laiku: turime galimybę pažvelgti į pačias visų daiktų paslapčių gelmes.
Neutrino masė
Kai popieriuje pradėjome skaičiuoti neutrinus, gaunamus iš Saulės, gavome skaičių, pagrįstą sinteze, kuri turi vykti viduje. Bet kai iš tikrųjų pradėjome skaičiuoti iš Saulės sklindančius neutrinus, pamatėme tik trečdalį to, ko tikėtasi. Kodėl? Atsakymas paaiškėjo tik neseniai, kai saulės ir atmosferos neutrinų matavimų derinys parodė, kad jie gali svyruoti iš vieno tipo į kitą. Nes jie turi masę.
Ką tai reiškia astrofizikai. Neutrinai yra gausiausios masinės Visatos dalelės: jų yra milijardą kartų daugiau nei elektronų. Jei jie turi masę, tai reiškia:
- jie sudaro tamsiosios medžiagos dalį, - patenka į galaktikos struktūras, Reklaminis vaizdo įrašas:
- gali susidaryti keista astrofizinė būsena, vadinama fermiono kondensatu,
- gali būti siejama su tamsiąja energija.
Jei neutrinai turi masę, jie taip pat gali būti Majorana dalelės (o ne dažniau pasitaikančios Dirac tipo dalelės), suteikiančios naujo tipo branduolio skilimą. Jie taip pat gali turėti itin sunkius kairiarankius pusbrolius, kurie galėtų paaiškinti tamsiąją materiją. Neutrinai taip pat neša didžiąją energijos dalį supernovose, yra atsakingi už neutroninių žvaigždžių aušinimą, veikia Didžiojo sprogimo (CMB) poslinkį ir yra esminė šiuolaikinės kosmologijos ir astrofizikos dalis.
Spartėjanti Visata
Jei Visata prasideda karštu Didžiuoju sprogimu, ji turės dvi svarbias savybes: pradinį išsiplėtimo greitį ir pradinį materijos / radiacijos / energijos tankį. Jei tankis būtų per didelis, visata vėl susijungtų; jei per maža, visata išsiplės visam laikui. Tačiau mūsų Visatoje tankis ir plėtimasis yra ne tik visiškai subalansuoti, bet ir maža šios energijos dalis gaunama tamsiosios energijos pavidalu, o tai reiškia, kad mūsų Visata po 8 milijardų metų pradėjo sparčiai plėstis ir nuo to laiko tęsėsi ta pačia dvasia.
Ką tai reiškia astrofizikai. Pirmą kartą žmonijos istorijoje mes galėjome šiek tiek sužinoti apie visatos likimą. Visi objektai, kurie nėra gravitaciškai susiję vienas su kitu, galiausiai pasklis, o tai reiškia, kad viskas, kas nėra mūsų vietinėje grupėje, vieną dieną nuskris. Bet kokia tamsiosios energijos prigimtis? Ar tai tikrai kosmologinė konstanta? Ar tai susiję su kvantiniu vakuumu? Ar tai gali būti laukas, kurio stiprumas laikui bėgant keičiasi? Būsimos misijos, tokios kaip ESA „Euclid“, NASA WFIRST ir nauji 30 metrų teleskopai, leis tiksliau išmatuoti tamsiąją energiją ir leis mums tiksliai apibūdinti, kaip visata spartėja. Galų gale, jei pagreitis padidės, Visata baigsis dideliu plyšimu; jei jis nukrenta, su dideliu suspaudimu. Yra pavojus visos visatos likimui.
Egzoplanetos
Prieš kartą karta manėme, kad šalia kitų žvaigždžių sistemų yra planetų, tačiau neturėjome jokių įrodymų, patvirtinančių šią tezę. Šiuo metu didžiąja dalimi NASA „Kepler“misijos dėka mes radome ir išbandėme tūkstančius jų. Daugelis Saulės sistemų skiriasi nuo mūsų: kai kuriose yra superžemių ar mini-Neptūnų; kai kuriuose yra dujų milžinių saulės sistemų viduje; Daugumoje yra Žemės dydžio pasaulių, tinkamų atstumų nuo mažų, blankių, raudonų nykštukinių žvaigždžių, kad paviršiuje būtų skystas vanduo. Vis dar reikia daug ką pamatyti.
Ką tai reiškia astrofizikai. Pirmą kartą istorijoje atradome pasaulius, kurie galėtų būti potencialūs kandidatai visam gyvenimui. Mes kaip niekad arti esame aptikę svetimos gyvybės ženklus visatoje. Kada nors daugelis šių pasaulių gali būti žmonių kolonijų namai, jei nuspręsime pasukti šiuo keliu. XXI amžiuje pradėsime tyrinėti šias galimybes: matuoti šių pasaulių atmosferą ir ieškoti gyvybės ženklų, reikšmingu greičiu siųsti kosminius zondus, analizuoti jų panašumą į Žemę, atsižvelgiant į tokias savybes kaip vandenynai ir žemynai, debesų danga, deguonies kiekis atmosferoje, laikas metų. Niekada visatos istorijoje nebuvo tam tinkamesnio momento.
Higgso bozonas
2010-ųjų pradžioje atradus Higgso dalelę, pagaliau buvo baigtas standartinis elementinių dalelių modelis. Higgso bozono masė yra apie 126 GeV / s2, jis suyra po 10–24 sekundžių ir suyra tiksliai taip, kaip numatyta standartiniame modelyje. Šios dalelės elgesyje nėra jokių naujų fizikos ženklų, išskyrus standartinį modelį, ir tai yra didelė problema.
Ką tai reiškia astrofizikai. Kodėl Higgso masė yra daug mažesnė už Plancko masę? Šį klausimą galima suformuluoti įvairiai: kodėl gravitacijos jėga yra tokia silpnesnė nei kitos jėgos? Yra daug galimų sprendimų: supersimetrija, papildomi matmenys, esminiai sužadinimai (konforminis tirpalas), Higgsas kaip sudedamoji dalelė (technicolor) ir kt. Bet kol kas šie sprendimai neturi įrodymų ir ar mes pakankamai atidžiai žiūrėjome?
Tam tikru lygiu turi būti kažkas iš esmės naujo: naujos dalelės, nauji laukai, naujos jėgos ir tt Visi jie savo prigimtimi turės astrofizinių ir kosmologinių pasekmių, ir visi šie padariniai priklauso nuo modelio. Jei dalelių fizika, pavyzdžiui, LHC, nepateiks jokių naujų patarimų, galbūt astrofizika tai pateiks. Kas vyksta didžiausiomis energijomis ir trumpiausiais atstumais? Didysis sprogimas ir kosminiai spinduliai atnešė mums didžiausią energiją, nei kada nors galėjo turėti galingiausias mūsų dalelių greitintuvas. Kitas raktas norint išspręsti vieną didžiausių fizikos problemų gali kilti iš kosmoso, o ne iš Žemės.
Gravitacinės bangos
Jau 101 metus tai buvo šventas astrofizikos gralis: tiesioginių didžiausios neįrodytos Einšteino prognozės ieškojimas. Kai „Advanced LIGO“2015 m. Prisijungė prie interneto, ji sugebėjo pasiekti jautrumą, reikalingą bangoms aptikti erdvėlaikyje iš trumpiausio bangos ilgio gravitacinių bangų šaltinio Visatoje: susivyniojančių ir sujungiančių juodųjų skylių. Su dviem patvirtintais aptikimais po diržu (ir kiek jų dar bus), „Advanced LIGO“perėmė gravitacinių bangų astronomiją nuo fantazijos iki realybės.
Ką tai reiškia astrofizikai. Visa astronomija iki šiol buvo priklausoma nuo šviesos, nuo gama spindulių iki matomo spektro, mikrobangų ir radijo dažnių. Tačiau bangų aptikimas erdvėlaikyje yra visiškai naujas būdas ištirti astrofizinius visatos reiškinius. Su tinkamais detektoriais ir tinkamu jautrumu galime pamatyti:
- neutroninių žvaigždžių sujungimas (ir sužinokite, ar jos sukuria gama spindulių pliūpsnius);
- baltųjų nykštukų susijungimas (ir mes su jais siejame Ia tipo supernovas);
- supermasyvios juodosios skylės, ryjančios kitas mases;
- supernovų gravitacinių bangų parašai;
- pulsarų parašai;
- likę Visatos gimimo gravitacinių bangų parašai.
Dabar gravitacinių bangų astronomija yra pačioje vystymosi pradžioje, vargu ar tampa įrodyta sritimi. Kiti žingsniai bus padidinti jautrumo ir dažnių diapazoną, taip pat palyginti gravitaciniame danguje matomą su optiniu dangumi. Ateitis ateina.
Mes nekalbame apie kitus puikius galvosūkius. Yra tamsioji materija: daugiau nei 80% Visatos masės yra visiškai nematomos šviesai ir įprastai (atominei) materijai. Yra barionezės problema: kodėl mūsų visata yra pilna materijos, o ne antimaterijos, nors kiekviena mūsų kada nors pastebėta reakcija yra visiškai simetriška materijoje ir antimaterijoje. Yra juodųjų skylių, kosminės infliacijos paradoksai, o sėkminga kvantinė gravitacijos teorija dar nėra sukurta.
Visada kyla pagunda manyti, kad geriausios mūsų dienos jau už nugaros ir kad svarbiausi ir revoliuciniai atradimai jau buvo padaryti. Bet jei norime suvokti didžiausius visų klausimus - iš kur atsirado Visata, iš ko ji iš tikrųjų susideda, kaip ji atsirado ir kur ji eina, kuo baigsis - mes vis dar turime daug dirbti. Turėdami precedento neturinčius dydžio, diapazono ir jautrumo teleskopus, galime sužinoti daugiau, nei kada nors žinojome. Pergalė niekada nėra garantuota, tačiau kiekvienas mūsų žingsnis priartina mus prie tikslo. Nesvarbu, kur mus nukels ši kelionė, svarbiausia, kad ji bus neįtikėtina.