Po staletí jsme arogantně věřili, že jsme našli téměř všechny odpovědi na naše nejhlubší otázky. Vědci si mysleli, že newtonovská mechanika popisuje vše, dokud neobjeví vlnovou povahu světla. Fyzici si mysleli, že když Maxwell sjednotil elektromagnetismus, byla to cílová čára, ale pak přišla relativita a kvantová mechanika. Mnoho lidí si myslelo, že podstata hmoty je zcela jasná, když jsme našli proton, neutron a elektron, ale pak jsme narazili na vysokoenergetické částice. Za pouhých 25 let pět neuvěřitelných objevů změnilo naše chápání vesmíru a každý z nich slibuje epickou revoluci. Žijeme v úžasné době: máme příležitost nahlédnout do hlubin záhad všech věcí.
Neutrinová hmota
Když jsme začali počítat na papíře neutrina, která pocházejí ze Slunce, dostali jsme číslo založené na fúzi, která se musí odehrávat uvnitř. Ale když jsme skutečně začali počítat neutrina přicházející ze Slunce, viděli jsme jen třetinu toho, co se očekávalo. Proč? Odpověď se objevila teprve nedávno, když kombinace měření slunečních a atmosférických neutrin ukázala, že mohou kmitat od jednoho typu k druhému. Protože mají hmotu.
Co to znamená pro astrofyziku. Neutrina jsou nejhojnější masivní částice ve vesmíru: je jich miliardkrát více než elektronů. Pokud mají hmotnost, vyplývá z toho, že:
- tvoří zlomek temné hmoty, - spadnout do galaktických struktur, Propagační video:
- možná tvoří podivný astrofyzikální stav známý jako fermionový kondenzát,
- mohou být spojeny s temnou energií.
Pokud mají neutrina hmotnost, mohly by to být také částice Majorany (spíše než častější částice typu Dirac), které poskytují nový typ jaderného rozpadu. Mohou mít také velmi těžké bratry pro leváky, kteří by mohli vysvětlit temnou hmotu. Neutrina také nesou většinu energie v supernovách, jsou zodpovědná za chlazení neutronových hvězd, ovlivňují dosvit Velkého třesku (CMB) a jsou nezbytnou součástí moderní kosmologie a astrofyziky.
Zrychlující se vesmír
Pokud vesmír začíná horkým velkým třeskem, bude mít dvě důležité vlastnosti: počáteční rychlost expanze a počáteční hmotu / záření / hustotu energie. Pokud by hustota byla příliš velká, vesmír by se znovu spojil; pokud je příliš malý, vesmír by se navždy rozšířil. Ale v našem vesmíru nejsou hustota a expanze jen dokonale vyvážené, ale malý zlomek této energie přichází ve formě temné energie, což znamená, že náš vesmír začal rychle expandovat po 8 miliardách let a od té doby pokračuje ve stejném duchu.
Co to znamená pro astrofyziku. Poprvé v historii lidstva jsme dostali příležitost dozvědět se něco málo o osudu vesmíru. Všechny objekty, které nejsou navzájem gravitačně spojeny, se nakonec rozptýlí, což znamená, že všechno mimo naši místní skupinu jednoho dne odletí. Jaká je ale povaha temné energie? Je to opravdu kosmologická konstanta? Souvisí to s kvantovým vakuem? Může to být pole, jehož síla se časem mění? Budoucí mise jako Euclid od ESA, WFIRST od NASA a nové 30m dalekohledy umožní přesnější měření temné energie a umožní nám přesně charakterizovat, jak se vesmír zrychluje. Koneckonců, pokud se zrychlení zvýší, vesmír skončí velkým trháním; pokud padne, s velkou kompresí. V sázce je osud celého vesmíru.
Exoplanety
Před generací jsme si mysleli, že v blízkosti jiných hvězdných systémů existují planety, ale neměli jsme žádné důkazy na podporu této teze. V současné době jsme díky velké části misi NASA Kepler našli a otestovali tisíce z nich. Mnoho solárních systémů se liší od našich: některé obsahují superzemě nebo mini-neptuny; některé obsahují plynné obry uvnitř solárních systémů; většina z nich obsahuje světy o velikosti Země ve správné vzdálenosti od drobných, slabých, červených trpasličích hvězd, aby na povrchu mohla existovat kapalná voda. Ještě zbývá vidět.
Co to znamená pro astrofyziku. Poprvé v historii jsme objevili světy, které by mohly být potenciálními kandidáty na život. Jsme blíže než kdy dříve k detekci známek mimozemského života ve vesmíru. A mnoho z těchto světů může být jednou domovem lidských kolonií, pokud se rozhodneme vydat touto cestou. V 21. století začneme zkoumat tyto možnosti: měřit atmosféry těchto světů a hledat známky života, posílat vesmírné sondy významnou rychlostí, analyzovat je na podobnost se Zemí z hlediska vlastností jako jsou oceány a kontinenty, oblačnost, obsah kyslíku v atmosféře, časy roku. Nikdy v historii vesmíru pro to nebyl vhodnější okamžik.
Higgsův boson
Objev Higgsovy částice počátkem roku 2010 konečně dokončil standardní model elementárních částic. Higgsův boson má hmotnost přibližně 126 GeV / s2, rozpadá se po 10-24 sekundách a rozpadá se přesně tak, jak předpovídal standardní model. V chování této částice není žádná známka nové fyziky mimo standardní model, a to je velký problém.
Co to znamená pro astrofyziku. Proč je Higgsova hmotnost mnohem menší než Planckova hmotnost? Tuto otázku lze formulovat různými způsoby: proč je gravitační síla tak slabší než ostatní síly? Existuje mnoho možných řešení: supersymetrie, další dimenze, základní buzení (konformní řešení), Higgs jako složka částice (technicolor) atd. Ale zatím tato řešení nemají žádné důkazy a hledali jsme dostatečně pečlivě?
Na určité úrovni musí existovat něco zásadně nového: nové částice, nová pole, nové síly atd. Všechny budou mít ze své podstaty astrofyzikální a kosmologické důsledky a všechny tyto účinky závisí na modelu. Pokud částicová fyzika, například na LHC, neposkytuje žádné nové rady, možná astrofyzika bude. Co se děje při nejvyšších energiích a na nejkratších vzdálenostech? Velký třesk - a kosmické paprsky - nám přinesly nejvyšší energie, než kdy mohl mít náš nejsilnější urychlovač částic. Další klíč k řešení jednoho z největších problémů fyziky může pocházet z vesmíru, nikoli ze Země.
Gravitační vlny
Po 101 let to byl svatý grál astrofyziky: hledání přímých důkazů o Einsteinově největší neprokázané predikci. Když se Advanced LIGO v roce 2015 připojilo k internetu, dokázalo dosáhnout citlivosti potřebné k detekci vln v časoprostoru od zdroje nejkratší vlnové délky gravitačních vln ve vesmíru: navíjení a splynutí černých děr. Díky dvěma potvrzeným detekcím pod opaskem (a kolik jich ještě bude) posunula Advanced LIGO astronomii gravitačních vln z fantasy do reality.
Co to znamená pro astrofyziku. Celá astronomie byla dosud závislá na světle, od paprsků gama po viditelné spektrum, mikrovlnné a rádiové frekvence. Detekce vln v časoprostoru je ale zcela nový způsob studia astrofyzikálních jevů ve vesmíru. Se správnými detektory se správnou citlivostí vidíme:
- slučování neutronových hvězd (a zjistit, zda vytvářejí záblesky gama záření);
- sloučení bílých trpaslíků (a spojujeme s nimi supernovy typu Ia);
- supermasivní černé díry pohlcující jiné masy;
- podpisy gravitačních vln supernov;
- podpisy pulzarů;
- zbytkové podpisy gravitačních vln zrození vesmíru, možná.
Nyní je astronomie gravitačních vln na samém začátku vývoje a stěží se stane osvědčeným polem. Dalším krokem bude zvýšení rozsahu citlivosti a frekvencí a také srovnání toho, co je vidět na gravitační obloze s optickou oblohou. Budoucnost se blíží.
A nemluvíme o dalších skvělých hlavolamech. Existuje temná hmota: více než 80% hmoty vesmíru je zcela neviditelné pro světlo a běžnou (atomovou) hmotu. Existuje problém baryogeneze: proč je náš vesmír plný hmoty a ne antihmoty, i když každá reakce, kterou jsme kdy pozorovali, je zcela symetrická v hmotě a antihmotě. Existují paradoxy černých děr, kosmické inflace a dosud nebyla vytvořena úspěšná kvantová teorie gravitace.
Vždy existuje pokušení věřit, že naše nejlepší dny jsou za námi a že nejdůležitější a revoluční objevy již byly učiněny. Pokud však chceme pochopit největší otázky ze všech - odkud se vesmír vzal, z čeho se vlastně skládá, jak se objevil a kam směřuje, jak to skončí - máme před sebou ještě hodně práce. S dalekohledy, které nemají obdoby co do velikosti, dosahu a citlivosti, se můžeme naučit víc, než jsme kdy věděli. Vítězství není nikdy zaručeno, ale každý náš krok nás přivádí o krok blíže k cíli. Nezáleží na tom, kam nás tato cesta zavede, hlavní je, že to bude neuvěřitelné.