Звезды внутри и за Столпами Творения обнаруживаются в инфракрасном диапазоне. В то время как Хаббл расширяет свой обзор до 1,6 микрона, более чем вдвое превышая предел видимого света, Джеймс Уэбб выйдет на 30 микрон: почти в 20 раз больше. Изображение предоставлено NASA, ESA и Hubble Heritage Team (STScI).

5 причин, по которым 21-й век станет лучшим для астрофизики

20-й век имел невероятные успехи во всей науке. Но лучшие дни астрофизики еще впереди.

«Когда мы узнаем, как строится ядро ​​атомов, мы найдем величайший секрет из всех - кроме жизни». Эрнест Резерфорд

На протяжении веков это был главный продукт науки: высокомерное мышление, что мы почти достигли окончательных ответов на наши самые глубокие вопросы. Ученые думали, что механика Ньютона описывала все, пока они не обнаружили волновую природу света. Физики думали, что мы были почти там, когда Максвелл объединил электромагнетизм, а затем появились теория относительности и квантовая механика. И многие думали, что природа материи была полной, когда мы открыли протон, нейтрон и электрон, пока физика частиц высоких энергий не открыла целую вселенную фундаментальных частиц. Всего за последние 25 лет пять невероятных открытий изменили наше понимание Вселенной, и каждое из них обещает еще большую революцию. Там никогда не было лучшего времени, чтобы заглянуть в самые глубокие тайны существования.

Множественные нейтринные события, реконструированные из отдельных нейтринных детекторов (сродни Super-Kamiokande, показанным здесь), указывают на возникновение сверхновой еще до появления какого-либо оптического сигнала. Изображение предоставлено: сотрудничество Супер Камиоканде / Томаш Барщак.

1.) Масса нейтрино. Когда мы начали вычислять нейтрино, которые должны исходить от Солнца, мы пришли к числу, основанному на слиянии, которое должно происходить внутри. Когда мы измерили нейтрино, приходящие от Солнца, мы увидели только треть того, что мы ожидали. Почему? Этот ответ появился только недавно, когда комбинация измерений солнечных и атмосферных нейтрино показала, что они могут колебаться от одного типа к другому из-за того, что они имеют массу!

Что это означает для астрофизики: нейтрино являются самыми многочисленными массивными частицами во Вселенной: примерно в миллиард раз больше, чем электронов. Если у них есть масса, они делают следующее:

  • составляют часть темной материи,
  • в поздние времена попадают в галактические структуры,
  • возможно, образуют странное астрофизическое состояние, известное как фермионный конденсат,
  • и может иметь связь с темной энергией.

Нейтрино, если они имеют массу, также могут быть майорановскими частицами (а не более распространенными частицами типа Дирака), что может дать возможность нового типа ядерного распада. У них также могут быть сверхтяжелые левши, которые могли бы объяснить темную материю. Нейтрино также несут ответственность за перенос большой доли энергии в сверхновых, отвечают за охлаждение нейтронных звезд, влияют на остаточное свечение Большого взрыва (CMB) и будут оставаться интересной и потенциально важной частью современной космологии и астрофизики.

Четыре возможных судьбы Вселенной, причем нижний пример лучше всего соответствует данным: Вселенная с темной энергией. Изображение предоставлено: E. Siegel.

2.) Ускоряющаяся Вселенная. Если вы начинаете Вселенную с горячего Большого взрыва, у нее есть два жизненно важных свойства: начальная скорость расширения и начальная плотность вещества / излучения / энергии. Если бы плотность была слишком велика, Вселенная вновь всплыла бы; если бы оно было слишком маленьким, Вселенная расширилась бы навсегда. Но в нашей Вселенной плотность и расширение не только идеально сбалансированы, но и небольшое количество этой энергии приходит в виде темной энергии, что означает, что наша Вселенная начинает ускоряться примерно через 8 миллиардов лет и продолжает делать это с тех пор ,

Что это означает для астрофизики: впервые в истории человечества мы действительно имеем представление о судьбе Вселенной. Все объекты, которые не связаны гравитационно, в конечном итоге будут ускоряться друг от друга, а это означает, что все, что находится за пределами нашей локальной группы, в конечном итоге будет ускоряться. Но какова природа темной энергии? Это действительно космологическая константа? Это связано с квантовым вакуумом? Это поле, сила которого меняется со временем? Предстоящие миссии, такие как Евклид ЕКА, спутник НАСА WFIRST и новые телескопы 30-метрового класса, появившиеся в сети, позволят лучше измерять темную энергию и позволят нам точно определить, как ускоряется Вселенная. В конце концов, если ускорение увеличивается, Вселенная закончится Большим Разрывом; если оно уменьшается и разворачивается, мы все равно можем получить Большой Хруст. На карту поставлена ​​сама судьба Вселенной.

Это изображение 2010 года трех из четырех известных экзопланет, вращающихся по орбите HR 8799, представляет первый раз, когда этот маленький телескоп - меньше, чем взрослый человек - использовался для прямого изображения экзопланеты. Изображение предоставлено NASA / JPL-Caltech / Palomar Observatory.

3.) Экзопланеты. Поколение назад мы думали, что вокруг других звездных систем, вероятно, есть планеты, но у нас не было никаких доказательств в поддержку этого утверждения. В настоящее время, во многом благодаря миссии НАСА в Кеплере, мы нашли и проверили тысячи. Многие солнечные системы отличаются от наших: некоторые содержат суперземли или мини-нептуны; некоторые содержат газовых гигантов во внутренних частях солнечных систем; большинство из них содержат миры размером с Землю на правильном расстоянии для жидкой воды, вращающейся вокруг крошечных, слабых звезд красного карлика, а не звезд, подобных нашему Солнцу. И все же, есть еще много всего, что предстоит открыть.

Что это означает для астрофизики: впервые мы определили миры, которые являются потенциальными кандидатами на обитаемые планеты. Мы ближе, чем когда-либо прежде, к обнаружению признаков инопланетной жизни во Вселенной. И многие из этих миров могут когда-нибудь стать домами для человеческих колоний, если мы решим пойти по этому пути. 21-й век увидит, что мы начнем изучать эти возможности: измерять атмосферу этих миров и искать признаки жизни, посылать им космические зонды со значительной долей скорости света и характеризовать их сходством с Земля с точки зрения океанов / континентов, облачного покрова, содержания кислорода в атмосфере и того, насколько их земля «зеленеет» с лета до зимы. Если вам интересно узнать правду, которая существует во Вселенной, никогда не было лучшего времени для жизни.

Открытие бозона Хиггса в дифотонном (γγ) канале на CMS. Изображение предоставлено: сотрудничество CERN / CMS.

4.) Бозон Хиггса. Открытие частицы Хиггса в начале 2010-х годов завершило, наконец, Стандартную модель элементарных частиц. Бозон Хиггса имеет массу около 126 ГэВ / с2, распадается примерно через 10–24 секунды и имеет все распады, которые, как предсказывает Стандартная Модель, должны. В поведении этой частицы нет никаких признаков новой физики, кроме Стандартной Модели, и это большая проблема.

Что это означает для астрофизики: почему масса Хиггса намного меньше массы Планка? Это вопрос, который можно сформулировать по-другому: почему гравитационная сила намного слабее всех других сил? Существует много возможных решений: суперсимметрия, дополнительные измерения, фундаментальные возбуждения (конформное решение), хиггс - это составная частица (technicolor) и т. Д. Но до сих пор у всех этих решений нет доказательств, подтверждающих их, и мы имеем смотрел!

На каком-то уровне должно быть что-то принципиально новое: новые частицы, новые поля, новые силы и т. Д. Все они по своей природе будут иметь астрофизические и космологические последствия, и все эти эффекты зависят от модели. Если физика элементарных частиц, например, на LHC, не даст никаких новых подсказок, вполне возможно, что астрофизика будет! Что происходит при самых высоких энергиях и в кратчайших масштабах расстояния? Большой взрыв - а также космические лучи - принесли нам более высокие энергии, чем когда-либо созданный человеком ускоритель. Следующие ключи к решению одной из самых больших проблем в физике могут прийти из космоса, а не с Земли.

Объединяющиеся черные дыры представляют собой один класс объектов, который создает гравитационные волны определенных частот и амплитуд. Благодаря таким детекторам, как LIGO, мы можем «слышать» эти звуки по мере их появления. Изображение предоставлено: LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU).

5.) Гравитационные волны. На протяжении 101 года это был священный грааль астрофизики: поиск прямых доказательств величайшего непроверенного предсказания Эйнштейна. Когда в 2015 году появился Advanced LIGO, он достиг чувствительности, необходимой для обнаружения пульсаций от источников гравитационных волн самой короткой частоты и самой большой величины во Вселенной: вдохновение и слияние черных дыр. С двумя подтвержденными обнаружениями под своим поясом (и больше в пути), Advanced LIGO превратил астрономию гравитационных волн из возможности в добросовестную науку.

Что это означает для астрофизики: до сих пор вся астрономия основывалась на свете, от гамма-лучей до видимого света вплоть до микроволновых и радиочастот. Но обнаружение пульсаций в пространстве-времени - это совершенно новый способ просмотра астрофизических явлений во Вселенной. С правильными детекторами с правильной чувствительностью мы сможем увидеть:

  • слияния нейтронных звезд (и узнать, создают ли они гамма-всплески),
  • Вдохновение и слияние белых карликов (и соотносить их со сверхновыми типа Ia),
  • сверхмассивные черные дыры, пожирающие другие массы,
  • сигнатуры гравитационных волн сверхновых,
  • глюки пульсара,
  • и, возможно, оставшаяся сигнатура гравитационных волн от рождения Вселенной.

Гравитационно-волновая астрономия находится в зачаточном состоянии, но только что стала добросовестным научным полем. Следующие шаги должны увеличить чувствительность и частотный диапазон, и начать соотносить то, что мы видим на гравитационном небе с оптическим небом. Будущее уже в пути.

Распределение массы кластера Abell 370., реконструированного с помощью гравитационного линзирования, показывает два больших диффузных гало массы, соответствующих темной материи с двумя сливающимися кластерами, чтобы создать то, что мы видим здесь. Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, Д. Харви (Федеральная политехническая школа Лозанны, Швейцария), Р. Масси (Университет Дарема, Великобритания), ERO Team Hubble SM4 и ST-ECF.

Это даже не считая некоторых других великих загадок, которые там есть. Есть темная материя: тот факт, что более 80% массы во Вселенной полностью невидимо как для легкой, так и для нормальной (атомной) материи. Существует проблема бариогенеза: почему наша Вселенная заполнена веществом, а не антивеществом, хотя каждая реакция, которую мы когда-либо наблюдали, абсолютно симметрична между веществом и антивеществом. Есть парадоксы, связанные с черными дырами; есть тайны и неизвестности, окружающие космическую инфляцию; нам еще предстоит построить успешную квантовую теорию гравитации.

Там, где кривизна пространства-времени становится достаточно большой, квантовые эффекты также становятся большими; достаточно большой, чтобы сделать наши нормальные подходы к физическим проблемам недействительными. Изображение предоставлено SLAC National Accelerator Laboratory.

Всегда есть соблазн думать, что наши лучшие дни позади, и что самые важные и революционные открытия уже сделаны. Но если мы хотим понять самые большие вопросы из всех: откуда взялась наша Вселенная, из чего она действительно состоит, как она возникла, куда она движется в далеком будущем, чем все это закончится - у нас еще есть над чем поработать , Благодаря беспрецедентным телескопам по размеру, диапазону и чувствительности, которые будут доступны онлайн, мы готовы узнать больше, чем когда-либо прежде. Нет гарантии победы, но каждый наш шаг приближает нас к цели. Независимо от того, где это оказывается, путешествие продолжает захватывать дух.

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За пределами галактики» и «Трекнология: наука о звездном пути от трикодеров до варп-драйва»!