Tähed loomise sammastest ja väljaspool neid paljastuvad infrapunas. Kui Hubble laiendab oma vaadet 1,6 mikronini, mis on rohkem kui kaks korda suurem nähtava valguse piirist, siis James Webb ulatub 30 mikronini: see on taas peaaegu 20 korda kaugemale. Pildikrediit: NASA, ESA ja Hubble Heritage Team (STScI).

5 põhjust, miks 21. sajand on astrofüüsikute jaoks läbi aegade parim

20. sajand oli kogu teaduse osas uskumatu edasiminek. Kuid astrofüüsikute parimad päevad on veel ees.

"Kui oleme avastanud, kuidas aatomite tuum on üles ehitatud, oleme leidnud kõigi kõige suurema saladuse - välja arvatud elu." -Ernest Rutherford

See on läbi sajandite olnud teaduse põhialus: ülbe mõtlemine, mille järgi oleme jõudnud oma sügavaimatele küsimustele lõplike vastuste juurde. Teadlased arvasid, et Newtoni mehaanika kirjeldas kõike, kuni nad avastasid valguse laine olemuse. Füüsikud arvasid, et oleme peaaegu kohal, kui Maxwell ühendas elektromagnetilisuse, ja siis tulid relatiivsus ja kvantmehaanika. Ja paljud arvasid, et aine olemus oli täielik, kui avastasime prootoni, neutroni ja elektroni, kuni suure energiaga osakeste füüsika paljastas terve põhiliste osakeste universumi. Vaid viimase 25 aasta jooksul on viis uskumatut avastust muutnud meie arusaama universumist ja igaüks neist lubab veelgi suuremat revolutsiooni. Kunagi pole olnud paremat aega eksistentsi sügavaimate mõistatuste uurimiseks.

Mitu neutriinojuhtumit, rekonstrueeritud eraldi neutriinodetektoritest (sarnaselt siin näidatud Super-Kamiokandele), näitasid supernoova esinemist enne optilise signaali ilmnemist. Pildikrediit: Super Kamiokande koostöö / Tomasz Barszczak.

1.) Neutrino mass. Kui hakkasime arvutama Päikesest tulevaid neutriinosid, jõudsime arvuni, mis põhineb fusioonil, mis peab sees toimuma. Päikesest saabuvaid neutriinoid mõõtes nägime vaid kolmandikku sellest, mida ootasime. Miks? See vastus tuli välja alles hiljuti, kus päikese ja atmosfääri neutriinode mõõtmiste kombinatsioon näitas, et need võivad massi järgi ühest osast teise võnkuda!

Mida see tähendab astrofüüsika jaoks: neutriinod on kõige rikkalikumad massiivsed osakesed universumis: umbes miljard korda nii palju kui elektrone. Kui neil on mass, teevad nad järgmist:

  • moodustavad murdosa tumedast ainest,
  • langeda hilistel aegadel galaktilistesse struktuuridesse,
  • võivad moodustada kummalise astrofüüsikalise oleku, mida nimetatakse fermioonseks kondensaadiks,
  • ja võib olla seotud tumeda energiaga.

Neutrínod, kui neil on mass, võivad olla ka majoranaosakesed (mitte tavalisemad Diraci tüüpi osakesed), mis võivad võimaldada uut tüüpi tuuma lagunemist. Neil võib olla ka ülikõrgeid vasakukäelisi kolleege, mis selgitaksid tumedat ainet. Neutrinod vastutavad ka suure osa energia kandmise eest supernoovadesse, vastutavad selle eest, kuidas neutrontähed jahtuvad, mõjutavad Suure Paugu jäägumist (CMB) ning jäävad tänapäevase kosmoloogia ja astrofüüsika huvitavaks ja potentsiaalselt oluliseks osaks.

Universumi neli võimalikku saatust, mille jaoks sobib kõige paremini alumine näide: tumeda energiaga universum. Pildikrediit: E. Siegel.

2.) Kiirenev universum. Kui alustate universumit kuuma Suure Paugu ajal, on sellel kaks olulist omadust: esialgne paisumiskiirus ja algne aine / kiirguse / energia tihedus. Kui tihedus oleks liiga suur, taastub Universum; kui see oleks liiga väike, laieneks Universum igavesti. Kuid meie universumis pole tihedus ja paisumine mitte ainult ideaalselt tasakaalus, vaid väike osa sellest energiast tuleb tumeda energia kujul, mis tähendab, et meie Universum hakkab kiirenema umbes 8 miljardi aasta pärast ja on seda teinud sellest ajast alates .

Mida see tähendab astrofüüsika jaoks: Esmakordselt inimkonna ajaloos on meil tegelikult mingisugune ülevaade Universumi saatusest. Kõik objektid, mis ei ole omavahel gravitatsiooniliselt seotud, kiirenevad lõpuks üksteisest eemal, mis tähendab, et kõik, mis asub väljaspool meie kohalikku rühma, kiireneb lõpuks. Kuid mis on tumeda energia olemus? Kas see on tõesti kosmoloogiline konstant? Kas see on seotud kvantvaakumiga? Kas see on väli, mille tugevus aja jooksul muutub? Eelseisvad missioonid, nagu ESA Euclid, NASA satelliit WFIRST ja uued võrgus tulevad 30-meetrise klassi teleskoobid, mõõdavad paremini tumedat energiat ja võimaldavad meil täpselt kirjeldada, kuidas Universum kiireneb. Lõppude lõpuks, kui kiirenduse tugevus suureneb, lõpeb Universum suure rebendiga; kui see väheneb ja pöördub tagasi, võime ikkagi saada suure kriisi. Siin on kaalul Universumi saatus.

See 2010. aastal tehtud pilt neljast teadaolevast eksoplaneedist, mis tiirleb ümber HR 8799, esindab esimest korda teleskoopi, mida see väike - vähem kui täiskasvanud inimene - eksoplaneedi otsepildistamiseks kasutas. Kujutise krediit: NASA / JPL-Caltech / Palomari observatoorium.

3.) Eksoplaneedid. Põlvkond tagasi arvasime, et teiste tähesüsteemide ümber on tõenäoliselt planeete, kuid meil polnud selle väite toetuseks tõendeid. Praegu oleme tänu NASA Kepleri missioonile tuhandeid leidnud ja kontrollinud. Paljud päikesesüsteemid erinevad meie omadest: mõned sisaldavad supermaiseid või mini-Neptuune; mõned neist sisaldavad päikesesüsteemi sisemistes osades hiiglasi; enamus neist, mis sisaldavad Maa suurusega maailmu vedela vee orbiidil õigel kaugusel orbiidil pisikeste, nõrkade, punaste kääbustähtede ümber, mitte selliste tähtedega nagu meie Päike. Ja veel on veel palju avastada.

Mida see tähendab astrofüüsika jaoks: oleme esimest korda tuvastanud maailmad, kes on asustatud planeetide potentsiaalsed kandidaadid. Oleme universumis võõra elu märkide leidmisele lähemal kui kunagi varem. Ja paljud neist maailmadest võivad kunagi saada inimkolooniate kodudeks, kui me nii valime minna seda teed pidi. 21. sajand hakkab meid uurima neid võimalusi: mõõta nende maailmade atmosfääri ja otsida elumärke, saata neile kosmosesondid olulise osa valguse kiirusest ja iseloomustada neid nende sarnasuste kaudu Maa ookeanide / mandrite, pilvekatte, atmosfääri hapnikusisalduse ja selle järgi, kui palju nende maad suvisest talveni rohelised on. Kui teil on huvitav kõiksus, mis selles universumis on, pole kunagi elus paremat aega olnud.

Higgsi bosoni avastamine CMS-i di-footoni (γγ) kanalis. Kujutise krediit: CERN / CMS koostöö.

4.) Higgsi boson. Higgsi osakeste avastamine 2010. aastate alguses viis lõpuks läbi elementaarsete osakeste standardmudeli. Higgsi bosoni mass on umbes 126 GeV / c2, see laguneb umbes 10–24 sekundi pärast ja sellel on kõik lagunemised, mida standardmudel ennustab. Selle osakese käitumises pole tavalisest mudelist kaugemale mingeid allkirju ja see on suur probleem.

Mida see tähendab astrofüüsika jaoks: miks on Higgsi mass nii palju väiksem kui Plancki mass? See on küsimus, mida saab sõnastada erinevalt: miks on gravitatsioonijõud nii palju nõrgem kui kõik teised jõud? Võimalikke lahendusi on palju: supersümmeetria, lisamõõtmed, fundamentaalsed ergutused (konformaatiline lahendus), Higgs on liitosakesed (tehnoloolised) jne. Kuid siiani pole kõigil neil lahendustel neid toetavaid tõendeid, ja poiss, kas meil on vaatas!

Mõnel tasandil peab seal olema midagi täiesti uut: uued osakesed, uued väljad, uued jõud jne. Neil kõigil on oma olemuselt astrofüüsikalised ja kosmoloogilised tagajärjed ning need mõjud sõltuvad kõik mudelist. Kui osakeste füüsika näiteks LHC-s ei anna uusi vihjeid, on võimalik, et astrofüüsika! Mis saab kõige kõrgema energiaga ja kõige väiksema vahemaa skaalal? Suur pauk - ja ka kosmilised kiired - tõid meile kõrgemaid energiaid, kui ükski inimtegevusest tulenev kiirendi kunagi ette näeb. Järgmised näpunäited füüsika ühe suurima probleemi lahendamiseks võivad pärineda kosmosest, mitte Maalt.

Ühendavad mustad augud on üks objektide klass, mis tekitab teatud sageduste ja amplituudidega gravitatsioonilaineid. Tänu detektoritele nagu LIGO saame neid helisid kuulda nende tekkimisel. Kujutise krediit: LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU).

5.) Gravitatsioonilised lained. 101 aastat oli see astrofüüsika püha graal: otsitavate tõendite otsimine Einsteini suurima kontrollimata ennustuse kohta. Kui Advanced LIGO 2015. aastal võrku jõudis, saavutas see tundlikkuse, mis on vajalik vibratsioonide tuvastamiseks kõige lühema sagedusega ja suurima tugevusega gravitatsioonilaineallikatest Universumis: mustade aukude inspireerimiseks ja liitmiseks. Kahe kinnitatud tuvastusega turvavöö all (ja veel teel) on Advanced LIGO viinud gravitatsioonilainete astronoomia võimalusest heauskse teaduse juurde.

Mida see tähendab astrofüüsika jaoks: Kogu astronoomia on siiani olnud valguspõhine, alates gammakiirtest kuni nähtava valguseni kuni mikrolaine- ja raadiosagedusteni. Kuid kobestamiste avastamine kosmose ajal on täiesti uus viis astrofüüsikaliste nähtuste vaatamiseks universumis. Õigete detektorite korral, mis on tundlikel tundlikel, näeme:

  • neutrontähtede ühinemised (ja uurige, kas need tekitavad gammakiirguspurskeid),
  • valge kääbuse inspiratsioonid ja ühinemised (ja nende seostamiseks Ia tüüpi supernoovadega),
  • ülimassiivsed mustad augud, mis söövad teisi masse,
  • supernoovade gravitatsioonilise laine signatuurid,
  • pulsar tõrkeid,
  • ja potentsiaalselt allesjäänud gravitatsioonilaine signatuur Universumi sünnist.

Gravitatsioonilainete astronoomia on alles lapsekingades, kuid on just muutunud heauskseks teadusvaldkonnaks. Järgmised sammud on tundlikkuse ja sagedusvahemiku suurendamine ning gravitatsioonitaevas nähtavate optilise taevaga korrelatsiooni alustamine. Tulevik on teel.

Gravitatsiooniläätse abil rekonstrueeritud klastri Abell 370 massijaotus näitab kahte suurt haju massi halot, mis on kooskõlas tumeda ainega kahe ühineva klastriga, et luua see, mida me siin näeme. Pildikrediit: NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Šveits), R. Massey (Durhami ülikool, Suurbritannia), Hubble SM4 ERO meeskond ja ST-ECF.

See ei loe isegi mõnda muud toredat mõistatust, mis seal väljas on. Seal on tume aine: tõsiasi, et üle 80% Universumi massist on nii kerge kui ka normaalse (aatomi) aine jaoks täiesti nähtamatud. Seal on barügeneesi probleem: miks on meie universum täidetud ainega, mitte antimaterjaliga, ehkki iga reaktsioon, mida me kunagi oleme täheldanud, on mateeria ja antimaterjali vahel täiesti sümmeetriline. Mustade aukudega on seotud paradoksid; kosmilise inflatsiooni ümbritsevad saladused ja tundmatud; meil pole veel õnnestunud konstrueerida gravitatsiooni edukat kvantteooriat.

Kui ruumi aja kumerus muutub piisavalt suureks, muutuvad ka kvantiefektid; piisavalt suur, et muuta kehtetuks meie tavapärased lähenemisviisid füüsikaprobleemidele. Pildikrediit: SLAC riiklik kiirendi labor.

Alati on kiusatus mõelda, et meie parimad päevad on seljataga ning kõige olulisemad ja revolutsioonilisemad avastused on juba tehtud. Kuid kui tahame mõista kõigi kõige suuremaid küsimusi - kust pärineb meie universum, millest see tõeliselt koosneb, kuidas see sündis, kuhu ta suundus kauges tulevikus, kuidas see kõik lõppeb - ​​on meil veel tööd teha . Kuna võrgus on saadaval enneolematu suuruse, ulatuse ja tundlikkusega teleskoobid, on meil hea meel teada saada rohkem, mida me kunagi varem teame. Kunagi pole võidu garantii, kuid iga samm, mis me teeme, viib meid ühe sammu sihtpunktile lähemale. Pole tähtis, kus see osutub, on teekond jätkuvalt hingemattev.

Starts With A Bang on nüüd Forbesil ja tänu meie Patreoni toetajatele uuesti keskkonnas avaldatud. Ethan on kirjutanud kaks raamatut "Beyond The Galaxy" ja "Treknology: The Star Treki teadus Tricordersist kuni Warp Drive'i"!