I århundrer har vi arrogant trodd at vi har funnet nesten alle svarene på våre dypeste spørsmål. Forskere trodde at newtonske mekanikere beskrev alt til de oppdaget lysets bølgene. Fysikere trodde at når Maxwell forenet elektromagnetisme, var det målstreken, men så kom relativitet og kvantemekanikk. Mange trodde at materiens natur var helt klar da vi fant proton, nøytron og elektron, men så snublet vi over høyenergipartikler. På bare 25 år har fem utrolige oppdagelser omformet vår forståelse av universet, og hver enkelt lover en episk revolusjon. Vi lever i en fantastisk tid: vi har muligheten til å se på dypet av mysteriene til alle ting.
Neutrino masse
Da vi begynte å telle nøytrinoene som kommer fra solen på papir, fikk vi et tall basert på fusjonen som må finne sted inne. Men da vi faktisk begynte å telle nøytrinoer som kommer fra solen, så vi bare en tredjedel av det som var forventet. Hvorfor? Svaret kom først nylig da en kombinasjon av målinger av sol- og atmosfæriske nøytrinoer viste at de kunne svinge fra en type til en annen. Fordi de har masse.
Hva betyr dette for astrofysikk. Neutrinoer er de mest utbredte massive partiklene i universet: det er en milliard ganger mer enn elektroner. Hvis de har masse, følger det at:
- de utgjør en brøkdel av mørk materie, - falle i galaktiske strukturer, Kampanjevideo:
- muligens danne en merkelig astrofysisk tilstand kjent som fermion kondensat,
- kan være assosiert med mørk energi.
Hvis nøytrinoer har masse, kan de også være Majorana-partikler (i stedet for de vanligste Dirac-partiklene), noe som gir en ny type kjerneforfall. De kan også ha supertunge venstrehåndede fettere som kan forklare mørk materie. Neutrinoer bærer også mesteparten av energien i supernovaer, er ansvarlige for å avkjøle nøytronstjerner, påvirker etterglødet av Big Bang (CMB), og er en viktig del av moderne kosmologi og astrofysikk.
Det akselererende universet
Hvis universet begynner med et hot Big Bang, vil det ha to viktige egenskaper: en innledende ekspansjonshastighet og en innledende materie / stråling / energitetthet. Hvis tettheten var for stor, ville universet bli gjenforent igjen; hvis for lite, ville universet utvide seg for alltid. Men i vårt univers er tetthet og ekspansjon ikke bare perfekt balansert, men en liten brøkdel av denne energien kommer i form av mørk energi, noe som betyr at vårt univers begynte å ekspandere raskt etter 8 milliarder år og har fortsatt i samme ånd siden den gang.
Hva betyr dette for astrofysikk. For første gang i menneskehetens historie fikk vi muligheten til å lære litt om universets skjebne. Alle gjenstander som ikke er gravitasjonsmessig knyttet til hverandre vil etter hvert spre seg, noe som betyr at alt utenfor vår lokale gruppe en dag vil fly bort. Men hva er mørk energi? Er dette virkelig en kosmologisk konstant? Er det relatert til kvantevakuumet? Kan det være et felt hvis styrke endres over tid? Fremtidige oppdrag som ESAs Euclid, NASAs WFIRST og nye 30 meter teleskoper vil tillate mer nøyaktige målinger av mørk energi og tillate oss å nøyaktig karakterisere hvordan universet akselererer. Tross alt, hvis akselerasjonen øker, vil Universet ende i en Big Rip; hvis den faller, med en stor komprimering. Skjebnen til hele universet står på spill.
Eksoplaneter
For en generasjon siden trodde vi at det var planeter i nærheten av andre stjernesystemer, men vi hadde ingen bevis for å støtte denne oppgaven. Foreløpig takket være NASA Kepler-oppdraget, har vi funnet og testet tusenvis av disse. Mange solsystemer er forskjellige fra våre: noen inneholder superjord eller mini-Neptunes; noen inneholder gasskjemper i det indre av solsystemer; de fleste inneholder verdener på størrelse med jorden, akkurat den rette avstanden fra små, svake, røde dvergstjerner for at det skal eksistere flytende vann på overflaten. Likevel gjenstår mye å se.
Hva betyr dette for astrofysikk. For første gang i historien har vi oppdaget verdener som kan være potensielle kandidater for livet. Vi er nærmere enn noen gang før å oppdage tegn på fremmede liv i universet. Og mange av disse verdenene kan en dag være hjemsted for menneskelige kolonier hvis vi velger å gå denne veien. I det 21. århundre vil vi begynne å utforske disse mulighetene: måle atmosfærene i disse verdenene og se etter tegn på liv, sende romføler i en betydelig hastighet, analysere dem for likhet med jorden når det gjelder funksjoner som hav og kontinenter, skydekke, oksygeninnhold i atmosfæren, tider årets. Aldri i universets historie har det vært et mer passende øyeblikk for dette.
Higgs boson
Oppdagelsen av Higgs-partikkelen tidlig på 2010-tallet fullførte endelig standardmodellen for elementære partikler. Higgs-bosonen har en masse på omtrent 126 GeV / s2, forfaller etter 10-24 sekunder og forfaller nøyaktig slik Standardmodellen forutsier. Det er ingen tegn til ny fysikk utenfor standardmodellen i oppførselen til denne partikkelen, og det er et stort problem.
Hva betyr dette for astrofysikk. Hvorfor er Higgs-massen mye mindre enn Planck-massen? Dette spørsmålet kan formuleres på forskjellige måter: hvorfor er gravitasjonskraften så svakere enn de andre kreftene? Det er mange mulige løsninger: supersymmetri, ekstra dimensjoner, grunnleggende eksitasjoner (konform løsning), Higgs som en sammensatt partikkel (technicolor) osv. Men så langt har disse løsningene ingen bevis, og har vi sett nøye nok på?
På et eller annet nivå må det være noe fundamentalt nytt: nye partikler, nye felt, nye krefter osv. Alle av deres natur vil ha astrofysiske og kosmologiske konsekvenser, og alle disse effektene avhenger av modellen. Hvis partikkelfysikk, for eksempel ved LHC, ikke gir noen nye hint, vil kanskje astrofysikk det. Hva skjer ved de høyeste energiene og på de korteste avstandene? Big Bang - og kosmiske stråler - ga oss de høyeste energiene enn vår kraftigste partikkelakselerator noensinne kunne ha. Den neste nøkkelen til å løse et av de største problemene i fysikk kan komme fra verdensrommet, ikke på jorden.
Gravitasjonsbølger
I 101 år har dette vært astrofysikkens hellige gral: jakten på direkte bevis på Einsteins største uprøvde spådom. Da Advanced LIGO gikk online i 2015, var det i stand til å oppnå den følsomheten som trengs for å oppdage krusninger i romtiden fra den korteste bølgelengdekilden til gravitasjonsbølger i universet: vikling og sammenslåing av sorte hull. Med to bekreftede oppdagelser under beltet (og hvor mange flere vil være), har Advanced LIGO tatt gravitasjonsbølge-astronomi fra fantasi til virkelighet.
Hva betyr dette for astrofysikk. All astronomi har til nå vært avhengig av lys, fra gammastråler til det synlige spekteret, mikrobølgeovn og radiofrekvenser. Men å oppdage krusninger i romtiden er en helt ny måte å studere astrofysiske fenomener i universet. Med de rette detektorene med riktig følsomhet kan vi se:
- sammenslåing av nøytronstjerner (og finn ut om de skaper gammastråleutbrudd);
- sammenslåing av hvite dverger (og vi forbinder type Ia supernovaer med dem);
- supermassive sorte hull som fortærer andre masser;
- gravitasjonsbølgesignaturer til supernovaer;
- signaturer av pulsarer;
- gjenværende gravitasjonsbølgesignaturer fra universets fødsel, muligens.
Nå er gravitasjonsbølge-astronomi helt i begynnelsen av utviklingen, og blir nesten ikke et bevist felt. De neste trinnene vil være å øke følsomhetsområdet og frekvensene, samt sammenligningen av det som sees på gravitasjonshimmelen med den optiske himmelen. Fremtiden kommer.
Og vi snakker ikke om andre gode gåter. Det er mørk materie: mer enn 80% av universets masse er helt usynlig for lys og vanlig (atom) materie. Det er problemet med baryogenese: hvorfor er vårt univers fullt av materie og ikke antimateriale, selv om hver reaksjon vi noen gang har observert er helt symmetrisk i materie og antimaterie. Det er paradokser av sorte hull, kosmisk inflasjon og en vellykket kvanteteori om tyngdekraften er ennå ikke opprettet.
Det er alltid fristende å tenke at våre beste dager ligger bak oss, og at de viktigste og revolusjonerende oppdagelsene allerede er gjort. Men hvis vi vil forstå de største spørsmålene av alle - hvor kom universet fra, hva det egentlig består av, hvordan det dukket opp og hvor det går, hvordan det vil ende - har vi fortsatt mye arbeid å gjøre. Med teleskoper uten sidestykke i størrelse, rekkevidde og følsomhet, kan vi lære mer enn vi noen gang har visst. Seier er aldri garantert, men hvert skritt vi tar, bringer oss ett skritt nærmere målet. Det spiller ingen rolle hvor denne reisen tar oss, det viktigste er at den blir utrolig.
