I århundraden har vi arrogant trott att vi har hittat nästan alla svar på våra djupaste frågor. Forskare trodde att newtons mekanik beskrev allt tills de upptäckte vågens natur. Fysiker trodde att när Maxwell förenade elektromagnetism var det mållinjen, men sedan kom relativitet och kvantmekanik. Många trodde att materiens natur var helt tydlig när vi hittade protonen, neutronen och elektronen, men sedan snubblade vi på högenergipartiklar. På bara 25 år har fem otroliga upptäckter omformat vår förståelse av universum, och var och en lovar en episk revolution. Vi lever i en fantastisk tid: vi har möjlighet att se in i djupet av alla mysterier.
Neutrino massa
När vi på papper började räkna neutrinoerna som kommer från solen fick vi ett tal baserat på fusionen som måste äga rum inuti. Men när vi faktiskt började räkna neutrinoer som kommer från solen såg vi bara en tredjedel av vad som förväntades. Varför? Svaret kom först nyligen när en kombination av mätningar av sol- och atmosfäriska neutriner visade att de kunde svänga från en typ till en annan. Eftersom de har massa.
Vad betyder detta för astrofysik. Neutrinoer är de vanligaste massiva partiklarna i universum: det finns en miljard gånger mer än elektroner. Om de har massa följer det att:
- de utgör en bråkdel av mörk materia, - falla i galaktiska strukturer, Kampanjvideo:
- eventuellt bilda ett konstigt astrofysiskt tillstånd som kallas fermionkondensat,
- kan förknippas med mörk energi.
Om neutriner har massa kan de också vara Majorana-partiklar (snarare än de vanligaste partiklarna av Dirac-typ), vilket ger en ny typ av kärnförfall. De kan också ha supertunga vänsterhänta bröder som kan förklara mörk materia. Neutrinoer bär också större delen av energin i supernovor, är ansvariga för att kyla neutronstjärnor, påverkar efterglödet av Big Bang (CMB) och är en väsentlig del av modern kosmologi och astrofysik.
Det accelererande universum
Om universum börjar med en het Big Bang kommer det att ha två viktiga egenskaper: en initial expansionshastighet och en initial materia / strålning / energitäthet. Om densiteten var för stor skulle universum återförenas; om för litet, skulle universum utvidgas för alltid. Men i vårt universum är densitet och expansion inte bara perfekt balanserad, utan en liten del av denna energi kommer i form av mörk energi, vilket innebär att vårt universum började expandera snabbt efter 8 miljarder år och har fortsatt i samma anda sedan dess.
Vad betyder detta för astrofysik. För första gången i mänsklighetens historia kunde vi lära oss lite om universums öde. Alla objekt som inte är gravitationellt kopplade till varandra kommer så småningom att spridas, vilket innebär att allt utanför vår lokala grupp en dag kommer att flyga iväg. Men vad är naturen till mörk energi? Är detta verkligen en kosmologisk konstant? Är det relaterat till kvantvakuumet? Kan det vara ett fält vars styrka förändras över tiden? Framtida uppdrag som ESA: s Euclid, NASA: s WFIRST och nya 30-meter teleskop gör det möjligt att göra mer exakta mätningar av mörk energi och låta oss exakt karakterisera hur universum accelererar. När allt kommer omkring, om accelerationen ökar, kommer universum att sluta i en Big Rip; om det faller, med en stor kompression. Hela universums öde står på spel.
Exoplaneter
För en generation sedan trodde vi att det fanns planeter nära andra stjärnsystem, men vi hade inga bevis för att stödja denna avhandling. För närvarande, till stor del tack vare NASA Kepler-uppdraget, har vi hittat och testat tusentals av dessa. Många solsystem skiljer sig från vårt: vissa innehåller superjordar eller mini-Neptunes; vissa innehåller gasjättar i det inre av solsystem; de flesta innehåller världar lika stora som jorden på rätt avstånd från små, svaga, röda dvärgstjärnor för att flytande vatten ska finnas på ytan. Ändå återstår mycket att se.
Vad betyder detta för astrofysik. För första gången i historien har vi upptäckt världar som kan vara potentiella kandidater för livet. Vi är närmare än någonsin tidigare att upptäcka tecken på främmande liv i universum. Och många av dessa världar kan någon gång vara hemma för mänskliga kolonier om vi väljer att gå denna väg. Under 2000-talet kommer vi att börja utforska dessa möjligheter: mäta atmosfären i dessa världar och leta efter tecken på liv, skicka rymdprober med en betydande hastighet, analysera dem för likhet med jorden när det gäller sådana funktioner som hav och kontinenter, molntäcke, syreinnehåll i atmosfären, tider årets. Aldrig i universums historia har det funnits ett lämpligare ögonblick för detta.
Higgs boson
Upptäckten av Higgs-partikeln i början av 2010-talet slutförde slutligen Standardmodellen för elementära partiklar. Higgs-bosonen har en massa på cirka 126 GeV / s2, sönderfaller efter 10-24 sekunder och förfaller precis som standardmodellen förutsäger. Det finns inga tecken på ny fysik utanför standardmodellen i beteendet hos denna partikel, och det är ett stort problem.
Vad betyder detta för astrofysik. Varför är Higgs-massan mycket mindre än Planck-massan? Denna fråga kan formuleras på olika sätt: varför är gravitationskraften så svagare än de andra krafterna? Det finns många möjliga lösningar: supersymmetri, extra dimensioner, grundläggande excitationer (konform lösning), Higgs som en kompositpartikel (technicolor) etc. Men hittills har dessa lösningar inga bevis, och har vi tittat noggrant nog?
På någon nivå måste det finnas något fundamentalt nytt: nya partiklar, nya fält, nya krafter etc. Alla av dem kommer av sin natur att ha astrofysiska och kosmologiska konsekvenser, och alla dessa effekter beror på modellen. Om partikelfysik, till exempel vid LHC, inte ger några nya tips, kanske astrofysik. Vad händer vid de högsta energierna och på de kortaste avstånden? Big Bang - och kosmiska strålar - gav oss de högsta energierna än vår kraftfullaste partikelaccelerator någonsin kunde ha. Nästa nyckel för att lösa ett av fysikens största problem kan komma från rymden, inte på jorden.
Gravitationsvågor
I 101 år har detta varit astrofysikens heliga gral: sökandet efter direkta bevis på Einsteins största obevisade förutsägelse. När Advanced LIGO gick online 2015 kunde det uppnå den känslighet som behövs för att detektera krusningar på rymdtiden från den kortaste våglängden för gravitationsvågor i universum: rullning och sammansvetsning av svarta hål. Med två bekräftade upptäckter under bältet (och hur många fler kommer det att vara) har Advanced LIGO tagit gravitationell vågastronomi från fantasi till verklighet.
Vad betyder detta för astrofysik. All astronomi har hittills varit beroende av ljus, från gammastrålar till det synliga spektrumet, mikrovågsugn och radiofrekvenser. Men att upptäcka krusningar under rymdtiden är ett helt nytt sätt att studera astrofysiska fenomen i universum. Med rätt detektorer med rätt känslighet kan vi se:
- sammanslagning av neutronstjärnor (och ta reda på om de skapar gammastrålning);
- sammanslagningen av vita dvärgar (och vi associerar typ Ia-supernovor med dem);
- supermassiva svarta hål som slukar andra massor;
- gravitationella vågsignaturer av supernovor;
- signaturer av pulser;
- återstående gravitationsvågsignaturer av universums födelse, möjligen.
Nu är gravitationell vågastronomi i början av utvecklingen och blir knappast ett beprövat fält. Nästa steg kommer att vara att öka känslighetsområdet och frekvenserna, liksom jämförelsen av vad som ses på gravitationshimlen med den optiska himlen. Framtiden kommer.
Och vi pratar inte om andra fantastiska pussel. Det finns mörk materia: mer än 80% av universumets massa är helt osynlig för ljus och vanlig (atom) materia. Det finns problemet med baryogenes: varför är vårt universum fullt av materia och inte antimateria, även om varje reaktion vi någonsin har observerat är helt symmetrisk i materia och antimateria. Det finns paradoxer om svarta hål, kosmisk inflation och en framgångsrik kvantteori om gravitation har ännu inte skapats.
Det finns alltid en frestelse att tro att våra bästa dagar ligger bakom oss och att de viktigaste och revolutionerande upptäckterna redan har gjorts. Men om vi vill förstå de största frågorna av alla - var kom universum ifrån, vad det egentligen består av, hur det framkom och vart det går, hur det kommer att sluta - har vi fortfarande mycket arbete att göra. Med teleskop utan motstycke i storlek, räckvidd och känslighet kan vi lära oss mer än vi någonsin visste. Seger garanteras aldrig, men varje steg vi tar tar oss ett steg närmare vår destination. Det spelar ingen roll vart den här resan tar oss, det viktigaste är att det blir otroligt.
