Gadsimtiem ilgi mēs esam augstprātīgi uzskatījuši, ka esam atraduši gandrīz visas atbildes uz mūsu visdziļākajiem jautājumiem. Zinātnieki domāja, ka Ņūtona mehānika visu aprakstīja, līdz atklāja gaismas viļņu dabu. Fiziķi domāja, ka tad, kad Maksvels apvienoja elektromagnētismu, tā bija finiša līnija, bet pēc tam nāca relativitāte un kvantu mehānika. Daudzi uzskatīja, ka matērijas būtība ir pilnīgi skaidra, kad mēs atradām protonu, neitronu un elektronu, bet pēc tam mēs pakļāvāmies augstas enerģijas daļiņām. Tikai 25 gadu laikā pieci neticami atklājumi ir pārveidojuši mūsu izpratni par Visumu, un katrs no tiem sola episku revolūciju. Mēs dzīvojam pārsteidzošā laikā: mums ir iespēja ielūkoties visu lietu noslēpumu pašos dziļumos.
Neitrīno masa
Kad mēs uz papīra sākām skaitīt neitrīno, kas nāk no Saules, mēs saņēmām skaitli, pamatojoties uz kodolsintēzi, kurai jānotiek iekšpusē. Bet, kad mēs faktiski sākām skaitīt neitrīno, kas nāk no Saules, mēs redzējām tikai trešdaļu no gaidītā. Kāpēc? Atbilde parādījās tikai nesen, kad Saules un atmosfēras neitrīno mērījumu kombinācija parādīja, ka tie var svārstīties no viena veida uz otru. Jo viņiem ir masa.
Ko tas nozīmē astrofizikai. Neitrīni ir visplašāk izplatītās masīvās daļiņas Visumā: to ir miljardu reižu vairāk nekā elektronu. Ja viņiem ir masa, izriet, ka:
- tie veido tumšās vielas daļu, - iekrist galaktiskajās struktūrās, Reklāmas video:
- iespējams, veido dīvainu astrofizisku stāvokli, kas pazīstams kā fermiona kondensāts,
- var būt saistīts ar tumšo enerģiju.
Ja neitrīnām ir masa, tās varētu būt arī Majorana daļiņas (nevis biežāk sastopamās Dirac tipa daļiņas), nodrošinot jauna veida kodola sabrukšanu. Viņiem var būt arī īpaši smagi kreisās rokas brāļi, kas varētu izskaidrot tumšo matēriju. Neitrīni arī pārnēsā lielāko daļu enerģijas supernovās, ir atbildīgi par neitronu zvaigžņu atdzišanu, ietekmē Lielā sprādziena (CMB) aizspīdēšanu un ir būtiska mūsdienu kosmoloģijas un astrofizikas sastāvdaļa.
Paātrinošais Visums
Ja Visums sākas ar karstu Lielo sprādzienu, tam būs divas svarīgas īpašības: sākotnējais izplešanās ātrums un sākotnējais matērijas / starojuma / enerģijas blīvums. Ja blīvums būtu pārāk liels, Visums atkal apvienotos; ja par mazu, Visums uz visiem laikiem paplašinātos. Bet mūsu Visumā blīvums un izplešanās ir ne tikai pilnīgi līdzsvaroti, bet neliela daļa šīs enerģijas nāk tumšās enerģijas formā, kas nozīmē, ka mūsu Visums sāka strauji paplašināties pēc 8 miljardiem gadu un kopš tā laika ir turpinājies tādā pašā garā.
Ko tas nozīmē astrofizikai. Pirmo reizi cilvēces vēsturē mēs varējām mazliet uzzināt par Visuma likteni. Visi objekti, kas nav gravitācijas ziņā saistīti viens ar otru, galu galā izkliedēsies, kas nozīmē, ka viss ārpus mūsu vietējās grupas kādu dienu aizlidos. Bet kāda ir tumšās enerģijas būtība? Vai tā tiešām ir kosmoloģiska konstante? Vai tas ir saistīts ar kvantu vakuumu? Vai tas varētu būt lauks, kura stiprums laika gaitā mainās? Nākamās misijas, piemēram, ESA Euclid, NASA WFIRST un jaunie 30 metru teleskopi, ļaus precīzāk izmērīt tumšo enerģiju un ļaus mums precīzi raksturot, kā Visums paātrinās. Galu galā, ja paātrinājums palielināsies, Visums beigsies ar lielu plosīšanos; ja tas nokrīt, ar lielu kompresiju. Uz spēles ir visa Visuma liktenis.
Eksoplanētas
Pirms paaudzes mēs domājām, ka citu zvaigžņu sistēmu tuvumā ir planētas, taču mums nebija pierādījumu, kas apstiprinātu šo tēzi. Pašlaik, lielā mērā pateicoties NASA Kepler misijai, mēs esam atraduši un pārbaudījuši tūkstošiem no tiem. Daudzas Saules sistēmas atšķiras no mūsu: dažas satur superzemi vai mini-Neptūnus; daži satur gāzes milžus Saules sistēmu iekšienē; Lielākā daļa satur Zemes lieluma pasaules pareizā attālumā no sīkām, vājām, sarkanām punduru zvaigznēm, lai uz virsmas pastāvētu šķidrs ūdens. Tomēr vēl ir daudz ko redzēt.
Ko tas nozīmē astrofizikai. Pirmo reizi vēsturē mēs esam atklājuši pasaules, kas varētu būt potenciālie dzīves kandidāti. Mēs esam tuvāk nekā jebkad agrāk, lai atklātu svešzemju dzīves pazīmes Visumā. Un daudzās no šīm pasaulēm kādreiz var atrasties cilvēku kolonijas, ja mēs izvēlamies iet šo ceļu. 21. gadsimtā mēs sāksim izpētīt šīs iespējas: izmērīt šo pasaulju atmosfēru un meklēt dzīvības pazīmes, ar ievērojamu ātrumu nosūtīt kosmosa zondes, analizēt to līdzību ar Zemi attiecībā uz tādām pazīmēm kā okeāni un kontinenti, mākoņu sega, skābekļa saturs atmosfērā, laiki gadā. Nekad Visuma vēsturē tam nav bijis piemērotāks brīdis.
Higsa bozons
Higsa daļiņas atklāšana 2010. gadu sākumā beidzot pabeidza elementārdaļiņu standarta modeli. Higsa bozona masa ir aptuveni 126 GeV / s2, tas sabrūk pēc 10–24 sekundēm un sadalās tieši tā, kā to paredz standarta modelis. Šīs daļiņas uzvedībā nav pazīmju par jaunu fiziku ārpus standarta modeļa, un tā ir liela problēma.
Ko tas nozīmē astrofizikai. Kāpēc Higsa masa ir daudz mazāka nekā Plankas masa? Šo jautājumu var formulēt dažādi: kāpēc gravitācijas spēks ir tik vājāks nekā pārējie spēki? Ir daudz iespējamo risinājumu: supersimetrija, papildu dimensijas, fundamentālas ierosmes (konforms risinājums), Higss kā sastāvdaļa (tehnikolors) utt. Bet līdz šim šiem risinājumiem nav pierādījumu, un vai mēs esam izskatījušies pietiekami uzmanīgi?
Kādā līmenī jābūt kaut kam principā jaunam: jaunām daļiņām, jauniem laukiem, jauniem spēkiem utt. Visiem tiem pēc savas būtības būs astrofiziskas un kosmoloģiskas sekas, un visi šie efekti ir atkarīgi no modeļa. Ja daļiņu fizika, piemēram, LHC, nedod jaunus padomus, varbūt astrofizika to darīs. Kas notiek ar visaugstākajām enerģijām un īsākajos attālumos? Lielais sprādziens - un kosmiskie stari - atnesa mums visaugstākās enerģijas, nekā jebkad varētu būt mūsu jaudīgākais daļiņu paātrinātājs. Nākamā atslēga vienas no lielākajām fizikas problēmām risināšanai var nākt no kosmosa, nevis uz Zemes.
Gravitācijas viļņi
101 gadu laikā tas ir bijis astrofizikas svētais grāls: tiešu pierādījumu meklēšana par Einšteina lielāko nepierādīto prognozi. Kad 2015. gadā Advanced LIGO nonāca tiešsaistē, tas spēja sasniegt jutību, kas nepieciešama, lai atklātu viļņošanos telpā laikā no Visuma īsākā gravitācijas viļņu viļņa garuma avota: melno caurumu savijšana un sapludināšana. Ar diviem apstiprinātiem atklājumiem zem jostas (un cik vēl būs) Advanced LIGO ir pārcēlis gravitācijas viļņu astronomiju no fantāzijas līdz realitātei.
Ko tas nozīmē astrofizikai. Visa astronomija līdz šim ir bijusi atkarīga no gaismas, sākot no gamma stariem līdz redzamajam spektram, mikroviļņu krāsnīm un radio frekvencēm. Bet viļņu atklāšana kosmosa telpā ir pilnīgi jauns veids, kā izpētīt astrofiziskās parādības Visumā. Ar pareizajiem detektoriem ar pareizo jutību mēs varam redzēt:
- neitronu zvaigžņu apvienošana (un noskaidrojiet, vai tās rada gamma staru pārrāvumus);
- balto punduru apvienošanās (un mēs ar viņiem saistām Ia tipa supernovas);
- supermasīvie melnie caurumi, kas aprij citas masas;
- supernovu gravitācijas viļņu paraksti;
- pulsāru paraksti;
- atlikušie gravitācijas viļņu paraksti par Visuma dzimšanu, iespējams.
Tagad gravitācijas viļņu astronomija ir pašā attīstības sākumā, un diez vai tā kļūst par pārbaudītu jomu. Nākamie soļi būs jutīguma un frekvenču diapazona palielināšana, kā arī gravitācijas debesīs redzamā salīdzināšana ar optiskajām debesīm. Nākotne nāk.
Un mēs nerunājam par citām lieliskām mīklas. Ir tumšā viela: vairāk nekā 80% Visuma masas ir pilnīgi neredzamas gaišajai un parastajai (atomu) vielai. Pastāv barioģenēzes problēma: kāpēc mūsu Visums ir pilns ar matēriju, nevis ar antimatēriju, kaut arī katra mūsu novērotā reakcija ir pilnīgi simetriska matērijā un antimatērijā. Pastāv melno caurumu, kosmiskās inflācijas paradoksi, un veiksmīga kvantu gravitācijas teorija vēl nav izveidota.
Vienmēr ir vilinoši domāt, ka mūsu labākās dienas ir aiz muguras un ka vissvarīgākie un revolucionārākie atklājumi jau ir veikti. Bet, ja mēs vēlamies saprast visu lielākos jautājumus - no kurienes radies Visums, no kā tas patiesībā sastāv, kā tas parādījās un kurp iet, kā tas beigsies - mums vēl ir daudz darba. Ar teleskopiem, kuru izmēri, darbības rādiuss un jutīgums ir nepieredzēti, mēs varam uzzināt vairāk nekā jebkad agrāk. Uzvara nekad netiek garantēta, taču katrs solis, ko speram, mūs tuvina galamērķim. Nav svarīgi, kur šis ceļojums mūs ved, galvenais ir tas, ka tas būs neticami.