I århundreder har vi arrogant troet, at vi har fundet næsten alle svarene på vores dybeste spørgsmål. Forskere troede, at newtonske mekanik beskrev alt, indtil de opdagede lysets bølge. Fysikere mente, at når Maxwell forenede elektromagnetisme, var det målstregen, men så kom relativitet og kvantemekanik sammen. Mange troede, at materiens natur var helt klar, da vi fandt protonen, neutronen og elektronen, men så snuble vi over højenergipartikler. På bare 25 år har fem utrolige opdagelser omformet vores forståelse af universet, og hver enkelt lover en episk revolution. Vi lever i en forbløffende tid: vi har muligheden for at se i dybden af alle tingens mysterier.
Neutrino masse
Da vi begyndte at tælle neutrinoer, der kommer fra solen på papir, fik vi et tal baseret på den fusion, der måtte finde sted indeni. Men da vi faktisk begyndte at tælle neutrinoer, der kom fra solen, så vi kun en tredjedel af det, der var forventet. Hvorfor? Svaret kom først for nylig, da en kombination af målinger af sol- og atmosfæriske neutrinoer viste, at de kunne svinge fra en type til en anden. Fordi de har masse.
Hvad betyder dette for astrofysik. Neutrinoer er de mest udbredte massive partikler i universet: der er en milliard gange mere end elektroner. Hvis de har masse, følger det, at:
- de udgør en brøkdel af mørkt stof, - falder i galaktiske strukturer
Salgsfremmende video:
- muligvis danne en underlig astrofysisk tilstand kendt som fermionkondensat,
- kan være forbundet med mørk energi.
Hvis neutrinoer har masse, kan de også være Majorana-partikler (snarere end de mere almindelige Dirac-partikler), hvilket giver en ny type nukleart henfald. De kan også have supertunge venstrehåndede fætre, der kunne forklare mørkt stof. Neutrinoer bærer også det meste af energien i supernovaer, er ansvarlige for afkøling af neutronstjerner, påvirker efterglødningen af Big Bang (CMB) og er en væsentlig del af moderne kosmologi og astrofysik.
Accelererende univers
Hvis universet begynder med et varmt Big Bang, vil det have to vigtige egenskaber: en indledende ekspansionshastighed og en indledende stof / stråling / energitæthed. Hvis tætheden var for stor, ville universet genforenes igen; hvis for lille, ville universet ekspandere for evigt. Men i vores univers er tæthed og ekspansion ikke kun perfekt afbalanceret, men en lille brøkdel af denne energi kommer i form af mørk energi, hvilket betyder, at vores univers begyndte at ekspandere hurtigt efter 8 milliarder år og er fortsat i samme ånd siden da.
Hvad betyder dette for astrofysik. For første gang i menneskehedens historie var vi i stand til at lære lidt om universets skæbne. Alle objekter, der ikke er gravitationsmæssigt forbundet med hinanden, spreder sig til sidst, hvilket betyder, at alt uden for vores lokale gruppe en dag flyver væk. Men hvad er karakteren af mørk energi? Er dette virkelig en kosmologisk konstant? Er det relateret til kvantevakuumet? Kunne det være et felt, hvis styrke ændrer sig over tid? Fremtidige missioner som ESAs Euclid, NASAs WFIRST og nye 30 meter teleskoper giver mulighed for mere nøjagtige målinger af mørk energi og giver os mulighed for nøjagtigt at karakterisere, hvordan universet accelererer. Når alt kommer til alt, hvis accelerationen stiger, ender universet med en Big Rip; hvis det falder, med en stor kompression. Hele universets skæbne står på spil.
Eksoplaneter
For en generation siden troede vi, at der var planeter i nærheden af andre stjernesystemer, men vi havde ingen beviser til at understøtte denne afhandling. I øjeblikket har vi takket stor del til NASA Kepler-missionen fundet og testet tusinder af disse. Mange solsystemer er forskellige fra vores: nogle indeholder superjord eller mini-Neptunes; nogle indeholder gaskæmper i det indre af solsystemer; de fleste indeholder verdener på størrelse med jorden lige i den rigtige afstand fra små, svage, røde dværgstjerner, så der findes flydende vand på overfladen. Alligevel er der meget, der skal ses.
Hvad betyder dette for astrofysik. For første gang i historien har vi opdaget verdener, der kunne være potentielle kandidater til livet. Vi er tættere end nogensinde før på at opdage tegn på fremmede liv i universet. Og mange af disse verdener kan en dag være hjemsted for menneskelige kolonier, hvis vi vælger at gå denne vej. I det 21. århundrede begynder vi at udforske disse muligheder: måle atmosfærerne i disse verdener og kigge efter tegn på liv, sende rumsonder i en betydelig hastighed, analysere dem for lighed med Jorden med hensyn til funktioner som oceaner og kontinenter, skydække, iltindhold i atmosfæren, tider årets. Aldrig i universets historie har der været et mere passende øjeblik til dette.
Higgs boson
Opdagelsen af Higgs-partiklen i begyndelsen af 2010'erne afsluttede endelig standardmodellen for elementære partikler. Higgs-bosonen har en masse på ca. 126 GeV / s2, henfalder efter 10-24 sekunder og henfalder nøjagtigt som forudsagt af standardmodellen. Der er ingen tegn på ny fysik uden for standardmodellen i denne partikels opførsel, og det er et stort problem.
Hvad betyder dette for astrofysik. Hvorfor er Higgs-massen meget mindre end Planck-massen? Dette spørgsmål kan formuleres på forskellige måder: hvorfor er tyngdekraften så svagere end de andre kræfter? Der er mange mulige løsninger: supersymmetri, ekstra dimensioner, grundlæggende excitationer (konform løsning), Higgs som en sammensat partikel (technicolor) osv. Men hidtil har disse løsninger ingen beviser, og har vi set nøje igennem?
På et eller andet niveau skal der være noget fundamentalt nyt: nye partikler, nye felter, nye kræfter osv. Alle af deres natur vil have astrofysiske og kosmologiske konsekvenser, og alle disse effekter afhænger af modellen. Hvis partikelfysik, for eksempel ved LHC, ikke giver nogen nye tip, måske vil astrofysik det. Hvad sker der ved de højeste energier og på de korteste afstande? Big Bang - og kosmiske stråler - bragte os de højeste energier, end vores mest kraftfulde partikelaccelerator nogensinde kunne have. Den næste nøgle til løsning af et af de største problemer i fysik kan komme fra rummet, ikke på jorden.
Gravitationsbølger
I 101 år har dette været astrofysikens hellige gral: søgen efter direkte bevis for Einsteins største uprøvede forudsigelse. Da Advanced LIGO gik online i 2015, var det i stand til at opnå den følsomhed, der var nødvendig for at detektere krusninger i rumtiden fra den korteste bølgelængde kilde til tyngdekraftsbølger i universet: vikling og sammensmeltning af sorte huller. Med to bekræftede detektioner under bæltet (og hvor mange flere vil der være) har Advanced LIGO taget tyngdekraftsbølge-astronomi fra fantasi til virkelighed.
Hvad betyder dette for astrofysik. Al astronomi har indtil nu været afhængig af lys, fra gammastråler til det synlige spektrum, mikrobølge- og radiofrekvenser. Men detektering af krusninger i rumtiden er en helt ny måde at studere astrofysiske fænomener i universet på. Med de rigtige detektorer med den rigtige følsomhed kan vi se:
- sammensmeltning af neutronstjerner (og find ud af, om de skaber gammastrålebrister);
- fusionen af hvide dværge (og vi forbinder type Ia supernovaer med dem);
- supermassive sorte huller, der fortærer andre masser;
- gravitationelle bølgesignaturer af supernovaer;
- underskrifter af pulsarer
- resterende gravitationsbølgesignaturer fra universets fødsel, muligvis.
Nu er gravitationel bølge-astronomi i starten af udviklingen og bliver næppe et bevist felt. De næste trin vil være at øge rækkevidden af følsomhed og frekvenser samt sammenligningen af, hvad der ses på tyngdekraften med den optiske himmel. Fremtiden kommer.
Og vi taler ikke om andre gode gåder. Der er mørkt stof: mere end 80% af universets masse er fuldstændig usynlig for lys og almindeligt (atom) stof. Der er problemet med baryogenese: hvorfor er vores univers fuld af stof og ikke antimaterie, selvom enhver reaktion, vi nogensinde har observeret, er fuldstændig symmetrisk i stof og antimaterie. Der er paradokser af sorte huller, kosmisk inflation, og en vellykket kvanteteori om tyngdekraft er endnu ikke oprettet.
Der er altid en fristelse til at tro, at vores bedste dage ligger bag os, og at de vigtigste og revolutionerende opdagelser allerede er gjort. Men hvis vi vil forstå de største spørgsmål af alle - hvor kom universet fra, hvad det faktisk består af, hvordan det fremkom, og hvor det går hen, hvordan det vil ende - har vi stadig meget arbejde at gøre. Med teleskoper uden fortilfælde i størrelse, rækkevidde og følsomhed kan vi lære mere, end vi nogensinde har vidst. Sejren er aldrig garanteret, men hvert skridt, vi tager, bringer os et skridt tættere på vores destination. Det betyder ikke noget, hvor denne rejse fører os, det vigtigste er, at det bliver utroligt.