Stoletja arogantno verjamemo, da smo našli skoraj vse odgovore na naša najgloblja vprašanja. Znanstveniki so mislili, da je Newtonova mehanika vse opisovala, dokler niso odkrili valovne narave svetlobe. Fiziki so mislili, da je Maxwell poenotil elektromagnetizem ciljno črto, nato pa sta se pojavili relativnost in kvantna mehanika. Mnogi so mislili, da je narava snovi popolnoma jasna, ko smo našli proton, nevtron in elektron, potem pa smo naleteli na visokoenergijske delce. V samo 25 letih je pet neverjetnih odkritij spremenilo naše razumevanje vesolja in vsako obljublja veliko revolucijo. Živimo v neverjetnem času: imamo priložnost pogledati v globino skrivnosti vseh stvari.
Nevtrinska masa
Ko smo na papirju začeli šteti nevtrine, ki prihajajo s Sonca, smo dobili število, ki temelji na fuziji, ki mora potekati znotraj. Ko pa smo dejansko začeli šteti nevtrine, ki prihajajo s Sonca, smo videli le tretjino pričakovanega. Zakaj? Odgovor se je pojavil šele pred kratkim, ko je kombinacija meritev sončnih in atmosferskih nevtrinov pokazala, da lahko nihajo od ene vrste do druge. Ker imajo maso.
Kaj to pomeni za astrofiziko. Nevtrini so najpogostejši masivni delci v vesolju: milijarde krat je več kot elektronov. Če imajo maso, iz tega sledi:
- tvorijo del temne snovi, - padejo v galaktične strukture, Promocijski video:
- lahko tvorijo čudno astrofizično stanje, znano kot fermionski kondenzat,
- je lahko povezan s temno energijo.
Če imajo nevtrini maso, so lahko tudi delci Majorane (in ne bolj pogosti delci tipa Dirac), ki zagotavljajo novo vrsto jedrskega razpada. Morda imajo tudi nadtežko levico, ki bi lahko razložili temno snov. Nevtrini nosijo tudi večino energije v supernovah, so odgovorni za hlajenje nevtronskih zvezd, vplivajo na naknadni sij velikega poka (CMB) in so bistveni del sodobne kozmologije in astrofizike.
Pospeševalno vesolje
Če se vesolje začne z vročim velikim pokom, bo imelo dve pomembni lastnosti: začetno hitrost širjenja in začetno gostoto snovi / sevanja / energije. Če bi bila gostota prevelika, bi se vesolje znova združilo; če bi bil premajhen, bi se vesolje večno širilo. Toda v našem vesolju gostota in širitev nista le popolnoma uravnoteženi, ampak majhen delček te energije pride v obliki temne energije, kar pomeni, da se je naše vesolje začelo hitro širiti po 8 milijard letih in se od takrat nadaljuje v istem duhu.
Kaj to pomeni za astrofiziko. Prvič v zgodovini človeštva smo lahko izvedeli nekaj o usodi vesolja. Vsi predmeti, ki med seboj niso gravitacijsko povezani, se sčasoma razpršijo, kar pomeni, da bo vse zunaj naše lokalne skupine nekoč odletelo. Toda kakšna je narava temne energije? Je to res kozmološka konstanta? Je povezano s kvantnim vakuumom? Ali je to lahko polje, katerega moč se sčasoma spreminja? Prihodnje misije, kot so Euclid ESA, NASA WFIRST in novi 30-metrski teleskopi, bodo omogočile natančnejše meritve temne energije in natančno opredelile, kako vesolje pospešuje. Konec koncev, če se pospešek poveča, se bo vesolje končalo v velikem razpoku; če pade, z velikim stiskanjem. Ogrožena je usoda celotnega vesolja.
Eksoplaneti
Pred generacijo smo mislili, da obstajajo planeti v bližini drugih zvezdnih sistemov, vendar nismo imeli dokazov v podporo tej tezi. Trenutno smo po zaslugi misije NASA Kepler našli in preizkusili na tisoče le-teh. Številni sončni sistemi se razlikujejo od našega: nekateri vsebujejo super Zemlje ali mini Neptune; nekateri vsebujejo plinske orjake v notranjosti sončnih sistemov; večina vsebuje svetove velikosti Zemlje na pravilni razdalji od drobnih, šibkih, rdečih pritlikavih zvezd, da na površini obstaja tekoča voda. Vendar je treba še veliko videti.
Kaj to pomeni za astrofiziko. Prvič v zgodovini smo odkrili svetove, ki bi lahko bili potencialni kandidati za življenje. Odkrivanje znakov tujega življenja v vesolju smo bližje kot kdaj koli prej. In mnogi od teh svetov bodo nekoč lahko domovi človeških kolonij, če se odločimo za to pot. V 21. stoletju bomo začeli raziskovati te možnosti: meriti ozračje teh svetov in iskati znake življenja, pošiljati vesoljske sonde z veliko hitrostjo, jih analizirati glede podobnosti z Zemljo glede na lastnosti, kot so oceani in celine, oblačnost, vsebnost kisika v ozračju, časi leta. Nikoli v zgodovini vesolja ni bilo primernejšega trenutka za to.
Higgsov bozon
Odkritje Higgsovega delca v začetku leta 2010 je končno dokončalo standardni model osnovnih delcev. Higgsov bozon ima maso približno 126 GeV / s2, razpade po 10-24 sekundah in razpade natančno tako, kot predvideva standardni model. V vedenju tega delca ni nobenih znakov nove fizike zunaj standardnega modela in to je velik problem.
Kaj to pomeni za astrofiziko. Zakaj je Higgsova masa veliko manjša od Planckove mase? To vprašanje je mogoče oblikovati na različne načine: zakaj je gravitacijska sila tako šibkejša od drugih sil? Obstaja veliko možnih rešitev: supersimetrija, dodatne dimenzije, temeljna vzbujanja (konformna raztopina), Higgs kot sestavljeni delček (technicolor) itd. Toda zaenkrat te rešitve nimajo dokazov in ali smo dovolj pozorno pregledali?
Na neki ravni mora obstajati nekaj bistveno novega: novi delci, nova polja, nove sile itd. Vsi bodo po svoji naravi imeli astrofizične in kozmološke posledice, vsi ti učinki pa so odvisni od modela. Če fizika delcev, na primer na LHC, ne daje novih namigov, morda astrofizika. Kaj se zgodi pri največjih energijah in na najkrajših razdaljah? Veliki pok in kozmični žarki so nam prinesli največ energije, kot jih je naš najmočnejši pospeševalnik delcev sploh lahko imel. Naslednji ključ za reševanje enega največjih problemov v fiziki morda prihaja iz vesolja, ne pa z Zemlje.
Gravitacijski valovi
Že 101 leto je to sveti gral astrofizike: iskanje neposrednih dokazov o največji nedokazani Einsteinovi napovedi. Ko je Advanced LIGO leta 2015 prišel v internet, je lahko dosegel občutljivost, potrebno za zaznavanje valovanja v vesolju iz najkrajše valovne dolžine gravitacijskih valov v vesolju: zvijanje in združevanje črnih lukenj. Z dvema potrjenima detekcijama pod pasom (in koliko jih bo še) je Advanced LIGO astronomijo gravitacijskih valov spremenil iz fantazije v resničnost.
Kaj to pomeni za astrofiziko. Vsa astronomija je bila do zdaj odvisna od svetlobe, od gama žarkov do vidnega spektra, mikrovalov in radijskih frekvenc. Toda odkrivanje valov v vesolju in času je povsem nov način preučevanja astrofizičnih pojavov v vesolju. S pravimi detektorji s pravo občutljivostjo lahko vidimo:
- združevanje nevtronskih zvezd (in ugotavljanje, ali ustvarjajo izbruhe gama žarkov);
- združitev belih palčkov (in z njimi povezujemo supernove tipa Ia);
- supermasivne črne luknje, ki požirajo druge mase;
- gravitacijski valovi podpisov supernov;
- podpisi pulsarjev;
- preostali gravitacijski valovi podpisov rojstva vesolja, po možnosti.
Zdaj je astronomija gravitacijskih valov na samem začetku razvoja in komajda postane dokazano področje. Naslednji koraki bodo povečanje obsega občutljivosti in frekvenc ter primerjava vidnega na gravitacijskem nebu z optičnim nebom. Prihaja prihodnost.
In ne govorimo o drugih velikih ugankah. Tam je temna snov: več kot 80% mase vesolja je popolnoma nevidno za svetlobo in navadno (atomsko) snov. Težava je v bariogenezi: zakaj je naše vesolje polno snovi in ne antimaterije, čeprav je vsaka reakcija, ki smo jo kdaj opazili, v snovi in antimateriji popolnoma simetrična. Obstajajo paradoksi črnih lukenj, kozmične inflacije in uspešna kvantna teorija gravitacije še ni bila ustvarjena.
Vedno je skušnjava verjeti, da so naši najboljši dnevi za nami in da so najpomembnejša in najbolj revolucionarna odkritja že dosežena. Če pa želimo razumeti največja vprašanja - od kod vesolje, iz česa je pravzaprav sestavljeno, kako se je pojavilo in kam gre, kako se bo končalo - nas čaka še veliko dela. S teleskopi brez primere po velikosti, dosegu in občutljivosti se lahko naučimo več kot kdaj koli prej. Zmaga ni nikoli zagotovljena, a vsak korak, ki ga naredimo, nas pripelje korak bližje cilju. Vseeno je, kam nas bo to pot pripeljalo, glavno je, da bo neverjetno.