Stjernerne inden for og ud over skabelsens søjler afsløres i det infrarøde. Mens Hubble udvider sit synspunkt til 1,6 mikron, mere end dobbelt så meget som synligt lys, vil James Webb gå ud til 30 mikron: næsten 20 gange så langt igen. Billedkredit: NASA, ESA og Hubble Heritage Team (STScI).

5 Årsager til, at det 21. århundrede vil være det bedste nogensinde for astrofysik

Det 20. århundrede havde nogle utrolige fremskridt på tværs af al videnskab. Men astrofysikernes bedste dage er endnu kommet.

”Når vi har fundet, hvordan atomkernen er opbygget, skal vi have fundet den største hemmelighed for alle - undtagen liv.” -Ernest Rutherford

Det har været et videnskabeligt grundlag gennem århundrederne: den arrogante tankegang om, at vi næsten er nået frem til de ultimative svar på vores dybeste spørgsmål. Videnskabsmænd troede, at Newtons mekanik beskrev alt, indtil de opdagede lysets bølgende natur. Fysikere troede, at vi næsten var der, da Maxwell forenede elektromagnetisme, og derefter kom relativitet og kvantemekanik med. Og mange troede, at materiens natur var komplet, da vi opdagede proton, neutron og elektron, indtil højenergi-partikelfysik afslørede et helt univers af grundlæggende partikler. I løbet af de sidste 25 år har fem utrolige opdagelser ændret vores forståelse af universet, og hver af dem har løftet om en endnu større revolution. Der har aldrig været et bedre tidspunkt at undersøge eksistens dybeste mysterier.

Flere neutrinohændelser, rekonstrueret fra separate neutrino-detektorer (i lighed med Super-Kamiokande, vist her), indikerede en supernovas forekomst, før noget optisk signal nogensinde opstod. Billedkredit: Super Kamiokande-samarbejde / Tomasz Barszczak.

1.) Neutrino-masse. Da vi begyndte at beregne de neutrinoer, der skulle komme fra Solen, ankom vi et tal baseret på den fusion, der skal forekomme inde. Da vi målte neutrinoerne fra solen, så vi kun en tredjedel af det, vi forventede. Hvorfor? Dette svar kom først for nylig, hvor en kombination af målinger af solenergi og atmosfæriske neutrinoer afslørede, at de kan svinge fra en type til en anden på grund af det faktum, at de har masse!

Hvad det betyder for astrofysik: Neutrinoer er de mest rigelige massive partikler i universet: cirka en milliard gange så mange som elektroner. Hvis de har masse, gør de følgende:

  • udgør en brøkdel af den mørke stof,
  • falder i galaktiske strukturer på sene tidspunkter,
  • muligvis danner en mærkelig astrofysisk tilstand kendt som et fermionisk kondensat,
  • og kan have en forbindelse til mørk energi.

Neutrinoer, hvis de har masse, kan også være Majorana-partikler (snarere end de mere almindelige partikler af Dirac-type), hvilket muliggør en ny form for nukleart forfald. De kan også have ultratunge, venstrehåndede kolleger, som kunne forklare den mørke sag. Neutrinoer er også ansvarlige for at bære en måde en stor brøkdel af energi i supernovaer, er ansvarlige for, hvordan neutroner stjerner afkøles, påvirker Big Bangs resterende glød (CMB) og vil forblive en interessant og potentielt vigtig del af moderne kosmologi og astrofysik.

Universets fire mulige skæbner, med det nederste eksempel, der passer bedst til dataene: et univers med mørk energi. Billedkredit: E. Siegel.

2.) Det accelererende univers. Hvis du begynder universet ved den varme Big Bang, har det to vitale egenskaber: en indledende ekspansionshastighed og en startstof / stråling / energitæthed. Hvis tætheden var for stor, ville universet igen falde sammen; hvis det var for lille, ville universet ekspandere for evigt. Men i vores univers er densiteten og udvidelsen ikke kun perfekt afbalanceret, men en lille mængde af denne energi kommer i form af mørk energi, hvilket betyder, at vores univers begynder at accelerere efter ca. 8 milliarder år, og har fortsat med at gøre det lige siden .

Hvad det betyder for astrofysik: For første gang i menneskets historie har vi faktisk en vis indsigt i universets skæbne. Alle genstande, der ikke er bundet sammen på tyngdepunkt, vil til sidst accelerere væk fra hinanden, hvilket betyder, at alt ud over vores lokale gruppe til sidst vil accelerere væk. Men hvad er arten af ​​mørk energi? Er det virkelig en kosmologisk konstant? Er det relateret til kvantevakuum? Er det et felt, hvis styrke ændrer sig over tid? Kommende missioner, som ESAs Euclid, NASAs WFIRST-satellit og de nye 30-meter-teleskoper, der kommer online, vil bedre måle mørk energi og give os mulighed for at præcisere præcist, hvordan universet accelererer. Når alt kommer til alt, hvis accelerationen øges i styrke, ender Universet i en Big Rip; hvis det aftager og vender tilbage, kan vi stadig få en stor knas. Universets skæbne står her på spil.

Dette billede af 2010 af tre af de fire kendte exoplaneter, der kredser om HR 8799, repræsenterer første gang et teleskop, denne lille - mindre end et fuldvoksen menneske - blev brugt til direkte at afbilde en exoplanet. Billedkredit: NASA / JPL-Caltech / Palomar Observatory.

3.) Exoplaneter. For en generation siden troede vi, at der sandsynligvis var planeter omkring andre stjernesystemer, men havde ingen bevis for at støtte denne påstand. På nuværende tidspunkt, takket være NASAs Kepler-mission, har vi fundet og verificeret tusinder. Mange solsystemer er forskellige fra vores egne: nogle indeholder super-jorde eller mini-Neptunes; nogle indeholder gasgiganter i de indre dele af solsystemerne; de fleste af dem, der indeholder jordstørrede verdener i den rigtige afstand til flydende vand bane rundt om små, svage, røde dværgstjerner, ikke stjerner som vores sol. Og alligevel er der så meget mere at opdage.

Hvad det betyder for astrofysik: For første gang nogensinde har vi identificeret verdener, der er potentielle kandidater til beboede planeter. Vi er tættere end nogensinde før på at finde tegn på fremmed liv i universet. Og mange af disse verdener kan en dag blive hjem for menneskelige kolonier, hvis vi så vælger at gå ned ad denne rute. Det 21. århundrede vil se os begynde at udforske disse muligheder: at måle atmosfærerne i disse verdener og kigge efter tegn på liv, at sende rumføler til dem med en betydelig del af lysets hastighed og at karakterisere dem ved deres ligheder med Jorden med hensyn til oceaner / kontinenter, skydække, iltindhold i atmosfæren og hvor meget deres land "grønne" fra sommer til vinter. Hvis du er nysgerrig efter sandheden der er i universet, har der aldrig været et bedre tidspunkt at være i live.

Opdagelsen af ​​Higgs Boson i di-photon (γγ) kanalen ved CMS. Billedkredit: CERN / CMS-samarbejde.

4.) Higgs Boson. Opdagelsen af ​​Higgs-partiklen i begyndelsen af ​​2010'erne afsluttede til sidst Standardmodellen for elementære partikler. Higgs-bosonen har en masse på omkring 126 GeV / c2, henfalder efter ca. 10–24 sekunder, og har alle de henfald, som standardmodellen forudsiger, at den skal. Der er overhovedet ingen underskrifter af ny fysik ud over standardmodellen i denne partikles adfærd, og det er et stort problem.

Hvad det betyder for astrofysik: Hvorfor er Higgs-massen så meget mindre end Planck-massen? Det er et spørgsmål, der kan formuleres forskelligt: ​​hvorfor er tyngdekraften så meget svagere end alle de andre kræfter? Der er mange mulige løsninger: supersymmetri, ekstra dimensioner, grundlæggende excitationer (den konforme løsning), Higgs er en sammensat partikel (technicolor) osv. Men indtil videre har alle disse løsninger ingen beviser for dem, og dreng, har vi kiggede!

På et eller andet niveau skal der være noget fundamentalt nyt derude: nye partikler, nye felter, nye kræfter osv. Alle disse vil efter deres natur have astrofysiske og kosmologiske konsekvenser, og disse effekter er alle modelafhængige. Hvis partikelfysik, for eksempel ved LHC, ikke giver nye ledetråde, er det muligt, at astrofysik vil! Hvad foregår ved de højeste energier og på de korteste skalaer for alle? Big Bang - og også kosmiske stråler - bragte os højere energi end nogen menneskeskabt accelerator nogensinde vil. De næste ledetråder til at løse et af de største problemer i fysik kan komme fra rummet, ikke fra Jorden.

Sammenfletning af sorte huller er en klasse af objekter, der skaber gravitationsbølger af bestemte frekvenser og amplituder. Takket være detektorer som LIGO, kan vi 'høre' disse lyde, når de forekommer. Billedkredit: LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU).

5.) Gravitationsbølger. I 101 år var dette den hellige gral af astrofysik: søgning efter direkte bevis på Einsteins største ubekræftede forudsigelse. Da Advanced LIGO kom online i 2015, opnåede den den følsomhed, der var nødvendig for at detektere krusninger fra de korteste frekvens, tyngdekraftsbølger med højeste styrke i universet: inspirerende og fusionerende sorte huller. Med to bekræftede detektioner under bæltet (og mere på vej) har Advanced LIGO flyttet tyngdekraftsastronomi fra en mulighed ind i en bona fide videnskab.

Hvad det betyder for astrofysik: Hele astronomi har indtil nu været lysbaseret, fra gammastråler til synligt lys hele vejen ind i mikrobølge- og radiofrekvenser. Men detektering af krusninger i rumtiden er en helt ny måde at se astrofysiske fænomener i universet på. Med de rigtige detektorer ved den rigtige følsomhed kan vi se:

  • neutronstjernefusioner (og lær om de skaber gamma-ray burst),
  • hvide dværginspiraler og fusioner (og for at korrelere dem med type Ia-supernovaer),
  • supermassive sorte huller, der fortærer andre masser,
  • gravitationsbølgesignaturer af supernovaer,
  • pulsar glitches,
  • og potentielt den resterende gravitationsbølgesignatur fra universets fødsel.

Gravitationsbølge-astronomi er i sin vorden, men er netop blevet et vidunderligt videnskabeligt felt. De næste trin er at øge følsomheden og frekvensområdet og begynde at korrelere det, vi ser i gravitationshimmelen med den optiske himmel. Fremtiden er på vej.

Massefordelingen af ​​klyngen Abell 370. rekonstrueret gennem gravitationslinsering viser to store, diffuse glorier af masse, der er konsistent med mørkt stof med to fusionerende klynger for at skabe det, vi ser her. Billedkredit: NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz), R. Massey (Durham University, UK), Hubble SM4 ERO Team og ST-ECF.

Det tæller ikke engang nogle af de andre store gåder der er derude. Der er mørk stof: det faktum, at over 80% af massen i universet er fuldstændig usynlig for både lys og normal (atomisk) stof. Der er problemet med baryogenese: hvorfor vores univers er fyldt med stof og ikke antimateriale, selvom hver reaktion, vi nogensinde har observeret, er helt symmetrisk mellem stof og antimaterie. Der er paradokser relateret til sorte huller; der er mysterier og ukendte omgivelser omkring kosmisk inflation; vi har endnu ikke konstrueret en vellykket kvanteteori om tyngdekraft.

Hvor rumtidskrumning bliver stor nok, bliver kvanteeffekter også store; stor nok til at ugyldige vores normale tilgange til fysikproblemer. Billedkredit: SLAC National Accelerator Laboratory.

Der er altid en fristelse til at tro, at vores bedste dage ligger bag os, og at de vigtigste og mest revolutionerende opdagelser allerede er blevet gjort. Men hvis vi vil forstå de største spørgsmål af alle - hvor vores univers kommer fra, hvad det virkelig er lavet af, hvordan det kom til at være, hvor det er på vej i den fjerne fremtid, hvordan det hele vil ende - har vi stadig arbejde at gøre . Med hidtil uset teleskoper i størrelse, rækkevidde og følsomhed, der er indstillet til at komme online, er vi klar til at lære mere, vi nogensinde har kendt før. Der er aldrig en garanti for sejr, men hvert skridt, vi tager, bringer os et skridt nærmere vores destination. Uanset hvor det viser sig at være, fortsætter rejsen med at være betagende.

Starts With A Bang er nu på Forbes og genudgivet på Medium takket være vores Patreon-tilhængere. Ethan har skrevet to bøger, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive!