Timp de secole, am crezut cu aroganță că am găsit aproape toate răspunsurile la cele mai profunde întrebări ale noastre. Oamenii de știință au crezut că mecanica newtoniană descrie totul până când au descoperit natura undelor luminii. Fizicienii au crezut că atunci când Maxwell a unificat electromagnetismul a fost linia de sosire, dar apoi au apărut relativitatea și mecanica cuantică. Mulți au crezut că natura materiei este complet clară atunci când am găsit protonul, neutronul și electronul, dar apoi ne-am împiedicat de particule de mare energie. În doar 25 de ani, cinci descoperiri incredibile ne-au remodelat înțelegerea universului și fiecare promite o revoluție epică. Trăim într-un moment uimitor: avem ocazia să privim în adâncul misterelor tuturor lucrurilor.
Masa neutrino
Când am început să numărăm pe hârtie neutrinii care provin de la Soare, am obținut un număr bazat pe fuziunea care trebuie să aibă loc în interior. Dar când am început să numărăm de fapt neutrini provenind de la Soare, am văzut doar o treime din ceea ce era de așteptat. De ce? Răspunsul a apărut recent doar când o combinație de măsurători ale neutrinilor solari și atmosferici a arătat că ar putea oscila de la un tip la altul. Pentru că au masă.
Ce înseamnă acest lucru pentru astrofizică. Neutrinii sunt cele mai abundente particule masive din Univers: există de un miliard de ori mai mult decât electronii. Dacă au masă, rezultă că:
- formează o fracțiune din materia întunecată, - cad în structuri galactice, Video promotional:
- posibil să formeze o stare astrofizică ciudată cunoscută sub numele de condensat de fermion,
- poate fi asociat cu energia întunecată.
Dacă neutrinii au masă, ar putea fi și particule de Majorana (mai degrabă decât particulele de tip Dirac mai frecvente), oferind un nou tip de degradare nucleară. De asemenea, pot avea frați stângaci super-grei care ar putea explica materia întunecată. Neutrinii transportă, de asemenea, cea mai mare parte a energiei din supernove, sunt responsabili pentru răcirea stelelor de neutroni, afectează lumina ulterioară a Big Bang-ului (CMB) și sunt o parte esențială a cosmologiei și astrofizicii moderne.
Universul accelerat
Dacă Universul începe cu un Big Bang fierbinte, va avea două proprietăți importante: o rată de expansiune inițială și o densitate inițială de materie / radiație / energie. Dacă densitatea ar fi prea mare, universul s-ar reuni din nou; dacă ar fi prea mic, universul s-ar extinde pentru totdeauna. Dar în Universul nostru, densitatea și expansiunea nu sunt doar perfect echilibrate, dar o mică parte din această energie vine sub forma energiei întunecate, ceea ce înseamnă că Universul nostru a început să se extindă rapid după 8 miliarde de ani și a continuat în același spirit de atunci.
Ce înseamnă acest lucru pentru astrofizică. Pentru prima dată în istoria omenirii, am reușit să aflăm puțin despre soarta universului. Toate obiectele care nu sunt conectate gravitațional între ele se vor împrăștia în cele din urmă, ceea ce înseamnă că totul în afara grupului nostru local va zbura într-o zi. Dar care este natura energiei întunecate? Este într-adevăr o constantă cosmologică? Este legat de vidul cuantic? Ar putea fi un câmp a cărui forță se schimbă în timp? Misiuni viitoare, cum ar fi Euclidul ESA, WFIRST al NASA și noile telescoape de 30 de metri, vor permite măsurători mai precise ale energiei întunecate și ne vor permite să caracterizăm cu exactitate cum accelerează universul. La urma urmei, dacă accelerația crește, Universul se va termina într-o Big Rip; dacă cade, cu o compresie mare. Soarta întregului univers este în joc.
Exoplanete
Cu o generație în urmă, am crezut că există planete lângă alte sisteme stelare, dar nu aveam dovezi care să susțină această teză. În prezent, datorită în mare parte misiunii NASA Kepler, am găsit și testat mii dintre acestea. Multe sisteme solare sunt diferite de ale noastre: unele conțin super-Pământuri sau mini-Neptuni; unele conțin giganți de gaze în interiorul sistemelor solare; majoritatea conțin lumi de dimensiunea Pământului la distanța corectă de stelele pitice roșii mici, slabe, pentru ca apa lichidă să existe la suprafață. Cu toate acestea, rămân multe de văzut.
Ce înseamnă acest lucru pentru astrofizică. Pentru prima dată în istorie, am descoperit lumi care ar putea fi potențiali candidați pentru viață. Suntem mai aproape ca oricând de detectarea semnelor vieții extraterestre în univers. Și multe dintre aceste lumi pot fi cândva acasă la colonii umane dacă alegem să luăm această cale. În secolul XXI, vom începe să explorăm aceste posibilități: măsurăm atmosferele acestor lumi și căutăm semne de viață, trimitem sonde spațiale la o viteză semnificativă, le analizăm pentru similitudinea cu Pământul în termeni de caracteristici precum oceanele și continentele, acoperirea norilor, conținutul de oxigen în atmosferă, timpii al anului. Niciodată în istoria universului nu a existat un moment mai potrivit pentru aceasta.
Bosonul Higgs
Descoperirea particulei Higgs la începutul anilor 2010 a finalizat în cele din urmă Modelul standard al particulelor elementare. Bosonul Higgs are o masă de aproximativ 126 GeV / s2, se descompune după 10-24 de secunde și se descompune exact așa cum a prezis modelul standard. Nu există semne de fizică nouă în afara modelului standard în comportamentul acestei particule și aceasta este o mare problemă.
Ce înseamnă acest lucru pentru astrofizică. De ce masa Higgs este mult mai mică decât masa Planck? Această întrebare poate fi formulată în diferite moduri: de ce este forța gravitațională atât de slabă decât celelalte forțe? Există multe soluții posibile: supersimetrie, dimensiuni suplimentare, excitații fundamentale (soluție conformală), Higgs ca particulă compozită (tehnicolor) etc. Dar până acum aceste soluții nu au dovezi și ne-am uitat suficient de atent?
La un anumit nivel, trebuie să existe ceva fundamental nou: particule noi, câmpuri noi, forțe noi, etc. Toate, prin natura lor, vor avea consecințe astrofizice și cosmologice și toate aceste efecte depind de model. Dacă fizica particulelor, de exemplu la LHC, nu oferă nici un fel de aluzii noi, poate astrofizica o va face. Ce se întâmplă la cele mai mari energii și la distanțe mai mici? Big Bang - și razele cosmice - ne-au adus cele mai înalte energii decât ar putea avea cel mai puternic accelerator de particule. Următoarea cheie pentru rezolvarea uneia dintre cele mai mari probleme din fizică poate veni din spațiu, nu de pe Pământ.
Valuri gravitationale
De 101 ani, acesta a fost sfântul graal al astrofizicii: căutarea dovezilor directe ale celei mai mari previziuni nedovedite a lui Einstein. Când Advanced LIGO a intrat online în 2015, a reușit să atingă sensibilitatea necesară pentru a detecta undele în spațiu-timp de la cea mai scurtă sursă de lungime de undă a undelor gravitaționale din Univers: înfășurarea și îmbinarea găurilor negre. Cu două detecții confirmate sub centură (și câte vor mai fi), Advanced LIGO a dus astronomia unde gravitaționale de la fantezie la realitate.
Ce înseamnă acest lucru pentru astrofizică. Până în prezent, toată astronomia a fost dependentă de lumină, de la razele gamma la spectrul vizibil, microundele și frecvențele radio. Dar detectarea undelor în spațiu-timp este un mod cu totul nou de a studia fenomenele astrofizice din univers. Cu detectoarele potrivite cu sensibilitatea potrivită, putem vedea:
- fuzionarea stelelor de neutroni (și aflați dacă creează explozii de raze gamma);
- fuziunea piticilor albi (și le asociem supernove de tip Ia cu acestea);
- găuri negre supermasive devorând alte mase;
- semnăturile undei gravitaționale ale supernovei;
- semnăturile pulsarilor;
- semnăturile reziduale ale undelor gravitaționale ale nașterii Universului, eventual.
Acum, astronomia cu unde gravitaționale se află chiar la începutul dezvoltării, devenind cu greu un câmp dovedit. Pașii următori vor fi creșterea gamei de sensibilitate și frecvențe, precum și compararea a ceea ce se vede pe cerul gravitațional cu cel optic. Viitorul vine.
Și nu vorbim despre alte puzzle-uri grozave. Există materie întunecată: mai mult de 80% din masa Universului este complet invizibilă pentru lumină și materia obișnuită (atomică). Există problema bariogenezei: de ce este universul nostru plin de materie și nu de antimaterie, chiar dacă fiecare reacție pe care am observat-o vreodată este complet simetrică în materie și antimaterie. Există paradoxuri ale găurilor negre, inflației cosmice și nu a fost încă creată o teorie cuantică a gravitației.
Există întotdeauna tentația de a crede că cele mai bune zile ale noastre sunt în spatele nostru și că cele mai importante și revoluționare descoperiri au fost deja făcute. Dar dacă vrem să înțelegem cele mai mari întrebări dintre toate - de unde a venit Universul, din ce constă de fapt, cum a apărut și încotro se îndreaptă, cum se va termina - mai avem mult de lucru. Cu telescoapele fără precedent ca mărime, autonomie și sensibilitate, putem învăța mai multe decât am știut vreodată. Victoria nu este niciodată garantată, dar fiecare pas pe care îl facem ne aduce cu un pas mai aproape de destinație. Nu contează unde ne duce această călătorie, principalul lucru este că va fi incredibil.
