Τα αστέρια μέσα και πέρα ​​από τους Πυλώνες της Δημιουργίας αποκαλύπτονται στο υπέρυθρο. Ενώ το Hubble επεκτείνει την προβολή του σε 1,6 μικρά, περισσότερο από το διπλάσιο του ορίου του ορατού φωτός, ο James Webb θα φτάσει τα 30 μικρά: σχεδόν 20 φορές ακόμη περισσότερο. Πιστωτική εικόνα: NASA, ESA και η ομάδα Hubble Heritage (STScI).

5 Λόγοι για τους οποίους ο 21ος αιώνας θα είναι ο καλύτερος για την αστροφυσική

Ο 20ος αιώνας πραγματοποίησε μερικές απίστευτες προόδους σε όλη την επιστήμη. Αλλά οι καλύτερες μέρες της αστροφυσικής δεν έχουν ακόμη έρθει.

«Όταν ανακαλύψουμε πώς δημιουργείται ο πυρήνας των ατόμων, θα έχουμε βρει το μεγαλύτερο μυστικό όλων - εκτός από τη ζωή." -Ernest Rutherford

Ήταν βασικό στοιχείο της επιστήμης κατά τη διάρκεια των αιώνων: η αλαζονική σκέψη ότι σχεδόν φτάσαμε στις τελικές απαντήσεις στα βαθύτερα ερωτήματά μας. Οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι μηχανικοί του Νεύτωνα περιέγραψαν τα πάντα, έως ότου ανακάλυψαν τη κυματική φύση του φωτός. Οι φυσικοί πίστευαν ότι ήμασταν σχεδόν εκεί όταν ο Maxwell ενοποίησε τον ηλεκτρομαγνητισμό και στη συνέχεια ήρθε η σχετικότητα και η κβαντική μηχανική. Και πολλοί πίστευαν ότι η φύση της ύλης ήταν πλήρης όταν ανακαλύψαμε το πρωτόνιο, το νετρόνιο και το ηλεκτρόνιο, έως ότου η φυσική σωματιδίων υψηλής ενέργειας αποκάλυψε ένα ολόκληρο Σύμπαν θεμελιωδών σωματιδίων. Μόλις τα τελευταία 25 χρόνια, πέντε απίστευτες ανακαλύψεις άλλαξαν την κατανόησή μας για το Σύμπαν, και κάθε μία κρατά την υπόσχεση για μια ακόμη μεγαλύτερη επανάσταση. Ποτέ δεν υπήρξε καλύτερη στιγμή για να εξετάσουμε τα βαθύτερα μυστήρια της ύπαρξης.

Πολλαπλά γεγονότα νετρίνων, ανακατασκευασμένα από ξεχωριστούς ανιχνευτές νετρίνων (παρόμοια με το Super-Kamiokande, φαίνεται εδώ), έδειξαν την ύπαρξη ενός σουπερνόβα πριν εμφανιστεί οποιοδήποτε οπτικό σήμα. Πιστωτική εικόνα: Συνεργασία Super Kamiokande / Tomasz Barszczak.

1.) Μάζα Neutrino Όταν ξεκινήσαμε να υπολογίζουμε τα νετρίνα που πρέπει να προέρχονται από τον Ήλιο, φτάσαμε σε έναν αριθμό με βάση τη σύντηξη που πρέπει να συμβαίνει μέσα. Όταν μετρήσαμε τα νετρίνα που προέρχονται από τον Ήλιο, είδαμε μόνο το ένα τρίτο αυτού που περιμέναμε. Γιατί; Αυτή η απάντηση βγήκε μόλις πρόσφατα, όπου ένας συνδυασμός μετρήσεων ηλιακών και ατμοσφαιρικών νετρίνων αποκάλυψε ότι μπορούν να ταλαντευθούν από τον ένα τύπο στον άλλο, λόγω του γεγονότος ότι έχουν μάζα!

Τι σημαίνει για την αστροφυσική: Τα νετρίνα είναι τα πιο άφθονα τεράστια σωματίδια στο Σύμπαν: περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερα από τα ηλεκτρόνια. Εάν έχουν μάζα, κάνουν τα εξής:

  • αποτελεί ένα κλάσμα της σκοτεινής ύλης,
  • πέφτω σε γαλαξιακές δομές αργά,
  • πιθανώς σχηματίζουν μια παράξενη αστροφυσική κατάσταση γνωστή ως φερμιονικό συμπύκνωμα,
  • και μπορεί να έχει σύνδεση με τη σκοτεινή ενέργεια.

Τα νετρίνα, εάν έχουν μάζα, μπορεί επίσης να είναι σωματίδια Majorana (και όχι τα πιο κοινά σωματίδια τύπου Dirac), τα οποία μπορεί να επιτρέψουν ένα νέο είδος πυρηνικής αποσύνθεσης. Μπορεί επίσης να έχουν εξαιρετικά βαριά, αριστερά ομόλογα που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη. Τα νετρίνα είναι επίσης υπεύθυνα για τη μεταφορά ενός μεγάλου κλάσματος ενέργειας στις σουπερνόβες, είναι υπεύθυνα για το πώς κρυώνουν τα αστέρια νετρονίων, επηρεάζουν την εναπομείνασα λάμψη του Big Bang (CMB) και θα παραμείνει ένα ενδιαφέρον και δυνητικά σημαντικό μέρος της σύγχρονης κοσμολογίας και της αστροφυσικής.

Οι τέσσερις πιθανές μοίρες του Σύμπαντος, με το κάτω παράδειγμα να ταιριάζει καλύτερα στα δεδομένα: ένα Σύμπαν με σκοτεινή ενέργεια. Πιστωτική εικόνα: E. Siegel.

2.) Το επιταχυνόμενο σύμπαν. Εάν ξεκινήσετε το Σύμπαν στο καυτό Big Bang, έχει δύο ζωτικές ιδιότητες: έναν αρχικό ρυθμό διαστολής και μια αρχική πυκνότητα ύλης / ακτινοβολίας / ενέργειας. Εάν η πυκνότητα ήταν πολύ μεγάλη, το Σύμπαν θα υποχωρούσε. αν ήταν πολύ μικρό, το Σύμπαν θα επεκταθεί για πάντα. Αλλά στο Σύμπαν μας, η πυκνότητα και η επέκταση δεν είναι μόνο απόλυτα ισορροπημένη, αλλά μια μικρή ποσότητα αυτής της ενέργειας έρχεται με τη μορφή σκοτεινής ενέργειας, που σημαίνει ότι το Σύμπαν μας αρχίζει να επιταχύνεται μετά από περίπου 8 δισεκατομμύρια χρόνια, και συνέχισε να το κάνει από τότε .

Τι σημαίνει για την αστροφυσική: Για πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία, έχουμε πραγματικά κάποια εικόνα για την τύχη του Σύμπαντος. Όλα τα αντικείμενα που δεν συνδέονται βαρυτικά μαζί θα επιταχυνθούν τελικά το ένα από το άλλο, πράγμα που σημαίνει ότι όλα πέρα ​​από την τοπική μας ομάδα θα επιταχυνθούν τελικά μακριά. Αλλά ποια είναι η φύση της σκοτεινής ενέργειας; Είναι πραγματικά μια κοσμολογική σταθερά; Έχει σχέση με το κβαντικό κενό; Είναι ένα πεδίο του οποίου η δύναμη αλλάζει με την πάροδο του χρόνου; Οι επερχόμενες αποστολές, όπως το Euclid της ESA, ο δορυφόρος WFIRST της NASA και τα νέα τηλεσκόπια κλάσης 30 μέτρων που θα συνδεθούν στο διαδίκτυο θα μετρήσουν καλύτερα τη σκοτεινή ενέργεια και θα μας επιτρέψουν να χαρακτηρίσουμε ακριβώς πώς επιταχύνεται το Σύμπαν. Σε τελική ανάλυση, εάν η επιτάχυνση αυξηθεί σε δύναμη, το Σύμπαν θα τελειώσει σε ένα Big Rip. αν μειωθεί και αντιστραφεί, μπορούμε ακόμα να πάρουμε μια μεγάλη κρίση. Διακυβεύεται η ίδια η μοίρα του Σύμπαντος.

Αυτή η εικόνα του 2010 για τρεις από τους τέσσερις γνωστούς εξωπλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από το HR 8799 αντιπροσωπεύει την πρώτη φορά που ένα τηλεσκόπιο αυτό το μικρό - λιγότερο από έναν ενήλικο άνθρωπο - χρησιμοποιήθηκε για να απεικονίσει άμεσα έναν εξωπλανήτη. Πιστωτική εικόνα: NASA / JPL-Caltech / Palomar Observatory.

3.) Εξωπλανήτες. Πριν από μια γενιά, πιστεύαμε ότι υπήρχαν πιθανώς πλανήτες γύρω από άλλα συστήματα αστεριών, αλλά δεν είχαμε στοιχεία που να υποστηρίζουν αυτόν τον ισχυρισμό. Προς το παρόν, χάρη σε μεγάλο βαθμό στην αποστολή Kepler της NASA, βρήκαμε και επαληθεύσαμε χιλιάδες. Πολλά ηλιακά συστήματα είναι διαφορετικά από τα δικά μας: μερικά περιέχουν υπερ-Γη ή μίνι-Ποσειδώνες. Μερικοί περιέχουν γίγαντες αερίου στα εσωτερικά τμήματα των ηλιακών συστημάτων. οι περισσότεροι από αυτούς που περιέχουν κόσμους σε μέγεθος γης στη σωστή απόσταση για τροχιά υγρού νερού γύρω από μικροσκοπικά, εξασθενημένα, κόκκινα αστέρια νάνων και όχι αστέρια όπως ο Ήλιος μας. Και όμως, υπάρχουν ακόμα πολλά να ανακαλύψουμε.

Τι σημαίνει για την αστροφυσική: Για πρώτη φορά, έχουμε εντοπίσει κόσμους που είναι πιθανοί υποψήφιοι για κατοικημένους πλανήτες. Είμαστε πιο κοντά από ποτέ στο να βρούμε σημάδια εξωγήινης ζωής στο Σύμπαν. Και πολλοί από αυτούς τους κόσμους μπορεί κάποια μέρα να γίνουν σπίτια για ανθρώπινες αποικίες, αν το επιλέξουμε να ακολουθήσουμε αυτή τη διαδρομή. Ο 21ος αιώνας θα μας δει να αρχίσουμε να διερευνούμε αυτές τις δυνατότητες: να μετρήσουμε την ατμόσφαιρα αυτών των κόσμων και να αναζητήσουμε σημάδια ζωής, να τους στείλουμε διαστημικούς ανιχνευτές σε ένα σημαντικό κλάσμα της ταχύτητας του φωτός και να τους χαρακτηρίσουμε από τις ομοιότητές τους με Γη σε όρους ωκεανών / ηπείρων, κάλυψης σύννεφων, περιεκτικότητας σε οξυγόνο στην ατμόσφαιρα, και πόση γη τους «πράσινα» από το καλοκαίρι έως το χειμώνα. Εάν είστε περίεργοι για την αλήθεια που υπάρχει εκεί έξω στο Σύμπαν, δεν υπήρξε ποτέ καλύτερη στιγμή για να ζήσετε.

Η ανακάλυψη του Higgs Boson στο κανάλι di-photon (γγ) στο CMS. Πιστωτική εικόνα: Συνεργασία CERN / CMS.

4.) Το Higgs Boson. Η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs στις αρχές του 2010 ολοκλήρωσε, επιτέλους, το πρότυπο μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων. Το μποζόνιο Higgs έχει μάζα περίπου 126 GeV / c2, αποσυντίθεται μετά από περίπου 10–24 δευτερόλεπτα και έχει όλες τις φθορές που το πρότυπο μοντέλο προβλέπει ότι θα έπρεπε. Δεν υπάρχουν καθόλου υπογραφές νέας φυσικής πέρα ​​από το πρότυπο μοντέλο στη συμπεριφορά αυτού του σωματιδίου, και αυτό είναι ένα μεγάλο πρόβλημα.

Τι σημαίνει για την αστροφυσική: Γιατί η μάζα Higgs είναι πολύ μικρότερη από τη μάζα του Planck; Είναι μια ερώτηση που μπορεί να διατυπωθεί διαφορετικά: γιατί η βαρυτική δύναμη είναι τόσο πιο αδύναμη από όλες τις άλλες δυνάμεις; Υπάρχουν πολλές πιθανές λύσεις: υπερσυμμετρία, επιπλέον διαστάσεις, θεμελιώδεις διεγέρσεις (η συμμορφωμένη λύση), το Higgs είναι ένα σύνθετο σωματίδιο (technicolor) κ.λπ. Αλλά μέχρι στιγμής, όλες αυτές οι λύσεις δεν έχουν αποδείξεις που να τις υποστηρίζουν, και αγόρι, έχουμε κοίταξε!

Σε κάποιο επίπεδο, πρέπει να υπάρχει κάτι θεμελιωδώς νέο εκεί έξω: νέα σωματίδια, νέα πεδία, νέες δυνάμεις κ.λπ. Όλα αυτά, από τη φύση τους, θα έχουν αστροφυσικές και κοσμολογικές συνέπειες και όλα αυτά τα αποτελέσματα εξαρτώνται από το μοντέλο. Εάν η φυσική των σωματιδίων, για παράδειγμα, στο LHC, δεν αποφέρει νέα στοιχεία, είναι πιθανό η αστροφυσική να το κάνει! Τι συμβαίνει στις υψηλότερες ενέργειες και στις μικρότερες κλίμακες απόστασης όλων; Το Big Bang - και επίσης οι κοσμικές ακτίνες - μας έφερε υψηλότερες ενέργειες από οποιονδήποτε επιταχυντή που έκανε ο άνθρωπος. Οι επόμενες ενδείξεις για την επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα προβλήματα στη φυσική μπορεί να προέρχονται από το διάστημα και όχι από τη Γη.

Η συγχώνευση των μαύρων οπών είναι μια κατηγορία αντικειμένων που δημιουργεί βαρυτικά κύματα συγκεκριμένων συχνοτήτων και πλάτους. Χάρη στους ανιχνευτές όπως το LIGO, μπορούμε να «ακούσουμε» αυτούς τους ήχους καθώς εμφανίζονται. Πιστωτική εικόνα: LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU).

5.) Βαρυτικά κύματα. Για 101 χρόνια, αυτό ήταν το ιερό δισκοπότηρο της αστροφυσικής: αναζητώντας άμεσες αποδείξεις για τη μεγαλύτερη μη επαληθευμένη πρόβλεψη του Αϊνστάιν. Όταν το Advanced LIGO κυκλοφόρησε στο διαδίκτυο το 2015, πέτυχε την απαραίτητη ευαισθησία για να ανιχνεύσει τους κυματισμούς από τις πηγές βαρυτικών κυμάτων συντομότερης συχνότητας, υψηλότερου μεγέθους στο Σύμπαν: εμπνέοντας και συγχωνεύοντας μαύρες τρύπες. Με δύο επιβεβαιωμένες ανιχνεύσεις κάτω από τη ζώνη του (και περισσότερα στο δρόμο), το Advanced LIGO έχει μετακινήσει την αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων από μια πιθανότητα σε μια καλόπιστη επιστήμη.

Τι σημαίνει για την αστροφυσική: Όλη η αστρονομία, μέχρι τώρα, βασίστηκε στο φως, από ακτίνες γάμμα έως ορατό φως μέχρι τις μικροκυμάτων και τις ραδιοσυχνότητες. Αλλά η ανίχνευση κυματισμών στο χωροχρόνο είναι ένας εντελώς νέος τρόπος για να δείτε αστροφυσικά φαινόμενα στο Σύμπαν. Με τους σωστούς ανιχνευτές στις σωστές ευαισθησίες, θα είμαστε σε θέση να δούμε:

  • συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων (και μάθετε εάν δημιουργούν εκρήξεις ακτίνων γάμμα),
  • έμπνευση και συγχωνεύσεις λευκών νάνων (και να τις συσχετίσουν με supernova τύπου Ia),
  • υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που καταναλώνουν άλλες μάζες,
  • βαρυτικές υπογραφές κυμάτων supernovae,
  • πάλσαρ δυσλειτουργίες,
  • και, ενδεχομένως, το υπολειπόμενο βαρυτικό κύμα από τη γέννηση του Σύμπαντος.

Η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων βρίσκεται στα σπάργανα της, αλλά μόλις έγινε ένα καλόπιστο επιστημονικό πεδίο. Τα επόμενα βήματα είναι να αυξήσουμε την ευαισθησία και το εύρος συχνοτήτων και να αρχίσουμε να συσχετίζουμε αυτό που βλέπουμε στον βαρυτικό ουρανό με τον οπτικό ουρανό. Το μέλλον είναι στο δρόμο του.

Η μαζική κατανομή του συμπλέγματος Abell 370. ανακατασκευάστηκε μέσω βαρυτικού φακού, δείχνει δύο μεγάλα, διάχυτα φωτοστέφανα μάζας, σύμφωνα με τη σκοτεινή ύλη με δύο συγχωνευμένα σμήνη για να δημιουργήσουν αυτό που βλέπουμε εδώ. Πιστωτική εικόνα: NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK), η ομάδα Hubble SM4 ERO και ST-ECF.

Αυτό δεν μετράει καν μερικά από τα άλλα μεγάλα παζλ που είναι εκεί έξω. Υπάρχει σκοτεινή ύλη: το γεγονός ότι πάνω από το 80% της μάζας στο Σύμπαν είναι εντελώς αόρατο τόσο στην ελαφριά όσο και στην κανονική (ατομική) ύλη. Υπάρχει το πρόβλημα της βαρυογένεσης: γιατί το Σύμπαν μας είναι γεμάτο με ύλη και όχι αντιύλη, παρόλο που κάθε αντίδραση που έχουμε παρατηρήσει ποτέ είναι εντελώς συμμετρική μεταξύ ύλης και αντιύλης. Υπάρχουν παράδοξα που σχετίζονται με τις μαύρες τρύπες. Υπάρχουν μυστήρια και άγνωστα γύρω από τον κοσμικό πληθωρισμό. δεν έχουμε ακόμη κατασκευάσει μια επιτυχημένη κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

Όπου η καμπυλότητα χωροχρόνου γίνεται αρκετά μεγάλη, τα κβαντικά εφέ γίνονται επίσης μεγάλα. αρκετά μεγάλο για να ακυρώσει τις συνήθεις προσεγγίσεις μας στα προβλήματα φυσικής. Πιστωτική εικόνα: Εθνικό εργαστήριο επιταχυντών SLAC.

Υπάρχει πάντα ένας πειρασμός να πιστεύουμε ότι οι καλύτερες μέρες μας είναι πίσω μας και ότι έχουν γίνει ήδη οι πιο σημαντικές και επαναστατικές ανακαλύψεις. Αλλά αν θέλουμε να κατανοήσουμε τις μεγαλύτερες ερωτήσεις όλων - από πού προέρχεται το Σύμπαν μας, από τι είναι πραγματικά φτιαγμένο, πώς έγινε, πού κατευθύνεται στο μακρινό μέλλον, πώς θα τελειώσει όλα - έχουμε ακόμη δουλειά να κάνουμε . Με πρωτοφανή τηλεσκόπια σε μέγεθος, εύρος και ευαισθησία που πρόκειται να συνδεθούν στο διαδίκτυο, είμαστε έτοιμοι να μάθουμε περισσότερα που έχουμε ξαναδεί. Δεν υπάρχει ποτέ εγγύηση νίκης, αλλά κάθε βήμα που κάνουμε μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στον προορισμό μας. Όπου κι αν είναι αυτό, το ταξίδι συνεχίζει να είναι συναρπαστικό.

Το Starts With A Bang είναι τώρα στο Forbes και αναδημοσιεύεται στο Medium χάρη στους υποστηρικτές του Patreon. Ο Ethan έχει συγγράψει δύο βιβλία, το Beyond The Galaxy και το Treknology: The Science of Star Trek από το Tricorder στο Warp Drive!