Вчені визначили ще одну потенційну загрозу, яку несуть для космічних кораблів крихітні частинки космічного пилу
22 Травня , 2017
Розпочато будівництво першого в світі вантажного судна-робота
23 Травня , 2017

П’ять причин, чому 21 століття стане розквітом астрофізики

Протягом багатьох століть ми зарозуміло вважали, що знайшли майже всі відповіді на найглибші питання. Вчені думали, що механіка Ньютона описує все, поки не виявили хвильову природу світла. Фізики думали, що коли Максвелл об’єднав електромагнетизм, це фініш, але потім з’явилися теорія відносності і квантова механіка. Багато хто думав, що природа речовини повністю зрозуміла, коли ми знайшли протон, нейтрон і електрон, але потім натрапили на високоенергетичні частинки. Всього за 25 останніх років п’ять неймовірних відкриттів змінили наше розуміння Всесвіту, і кожна з них обіцяє грандіозну революцію. Ми живемо в дивовижний час: у нас є можливість заглянути в самі глибини загадок всього сущого.

Маса нейтрино

Коли ми почали прораховувати на папері нейтрино, які приходять з Сонця, ми отримали число, що базується на синтезі, який повинен відбуватись всередині. Але коли ми почали рахувати фактичні нейтрино, що надходять з Сонця, ми побачили лише третину від очікуваного. Чому? Відповідь з’явилась нещодавно, коли поєднання вимірювань сонячних і атмосферних нейтрино показало, що вони можуть осцилювати з одного типу в інший. Тому що у них є маса.

Що це означає для астрофізики. Нейтрино — найбільш поширені масивні частинки у Всесвіті: їх в мільярд разів більше, ніж електронів. Якщо у них є маса, з цього випливає, що:

  • вони складають частку темної матерії,
  • потрапляють у галактичні структури,
  • можливо, утворюють загадковий астрофізичний стан, відомий як ферміонний конденсат,
  • можуть бути пов’язані з темною енергією.

Якщо у нейтрино маса, вони також можуть бути майорановськими частками (а не більш поширеними частинками типу Дірака), що забезпечують новий тип ядерного розпаду. Також у них можуть бути надважкі побратими-лівші, які могли б пояснити темну матерію. Нейтрино також переносять велику частину енергії у наднових, відповідальні за охолодження нейтронних зірок, що впливають на післясвітіння Великого Вибуху  і є найважливішою частинкою сучасної космології та астрофізики.

Всесвіт, що прискорюється

Якщо Всесвіт починається з гарячого Великого Вибуху, у нього буде дві важливі властивості: початкова швидкість розширення і початкова щільність речовини/випромінювання/енергії. Якби щільність була занадто велика, Всесвіт возз’єднався б знову; якщо занадто мала, Всесвіт вічно би розширювався. Але в нашому Всесвіті щільність і розширення не тільки ідеально збалансовані, але і крихітна частина цієї енергії надходить у формі темної енергії, а значить, наш Всесвіт почав прискорено розширюватись через 8 мільярдів років і з тих пір продовжує в тому ж дусі.

Що це означає для астрофізики. Вперше за всю історію людства ми отримали можливість дізнатись про долю Всесвіту. Всі об’єкти, які не пов’язані між собою гравітаційно, в кінцевому рахунку будуть розбігатись, а значить все, що лежить за межами нашої локальної групи одного разу полетить геть. Але яка природа темної енергії? Чи це дійсно космологічна постійна? Чи пов’язана вона з квантовим вакуумом? Чи може вона бути полем, сила якого змінюється з часом? Майбутні місії типу Euclid ЄКА, WFIRST NASA і нових 30-метрових телескопів дозволять здійснити більш точні вимірювання темної енергії і дозволять нам точно охарактеризувати, як прискорюється Всесвіт. Зрештою, якщо прискорення зростає, Всесвіт закінчиться Великим Розривом; якщо падає, Великим Стисненням. На кону доля цілого Всесвіту.

Екзопланети

Покоління тому ми думали, що біля інших зоряних систем існують планети, але у нас не було доказів, що підтверджують цю тезу. В даний час, багато в чому завдяки місії NASA «Кеплер», ми знайшли і перевірили тисячі таких. Численні сонячні системи відрізняються від наших: деякі містять суперземлі або міні-Нептун; деякі містять газові гіганти у внутрішніх частинах сонячних систем; більшість містять світи розміром з Землю на правильній відстані від крихітних  червоних карликових зірок, щоб на поверхні могла існувати вода в рідкому стані. І все ж багато чого ще належить з’ясувати.

Що це означає для астрофізики. Вперше в історії ми виявили світи, які можуть бути потенційними кандидатами для життя. Ми ближче, ніж коли-небудь раніше, до виявлення ознак інопланетного життя у Всесвіті. І багато з цих світів можуть коли-небудь стати будинком для людських колоній, якщо ми захочемо піти по цьому шляху. У 21 столітті ми почнемо досліджувати ці можливості: вимірювати атмосфери цих світів і шукати ознаки життя, відправляти космічні зонди на значній швидкості, аналізувати їх на предмет схожості з Землею за такими ознаками, як океани і континенти, хмарний покрив, вміст кисню в атмосфері, пори року. Ніколи за всю історію Всесвіту не було більш вдалого моменту.

Бозон Хіггса

Відкриття частинки Хіггса на початку 2010-х завершило, нарешті, Стандартну модель фізики елементарних частинок. Бозон Хіггса має масу близько 126 Гев/с2, розпадається через 10-24 секунди і розпадається в точності з прогнозами Стандартної моделі. У поведінці цієї частки немає ніяких ознак існування нової фізики за межами Стандартної моделі, і це велика проблема.

Що це означає для астрофізики. Чому маса Хіггса набагато менша маси Планка? Це питання можна сформулювати по-різному: чому гравітаційна сила настільки слабша інших сил? Існує багато можливих рішень: суперсиметрія, додаткові виміри, фундаментальні порушення (конформне рішення), Хіггс як складова частинка (техніколор) і т. д. Але поки у цих рішень немає доказів, то чи достатньо ретельно ми шукали?

На якомусь рівні має бути щось принципово нове: нові частинки, нові поля, нові сили і т. д. Всі вони за своєю природою будуть мати астрофізичні і космологічні наслідки, і всі ці ефекти залежать від моделі. Якщо фізика частинок, наприклад, на ВАК, не забезпечить ніяких нових натяків, можливо, астрофізика забезпечить. Що відбувається при високих енергіях і на самих коротких дистанціях? Великий Вибух — і космічні промені — принесли нам більші енергії, ніж зміг би найпотужніший наш прискорювач частинок. Наступний ключ до вирішення однієї з найбільших проблем у фізиці може з’явитись з космосу, а не на Землі.

Гравітаційні хвилі

Протягом 101 року це був святий Грааль астрофізики: пошук прямих доказів самого великого не доведенного передбачення Ейнштейна. Коли Advanced LIGO вийшла на зв’язок в 2015 році, їй вдалося досягти чутливості, необхідної для реєстрації брижів простору-часу з самого короткохвильового джерела гравітаційних хвиль у Всесвіті: чорні діри, що закручуються по спіралі і зливаються.  Маючи два підтверджених виявлення (і скільки їх ще буде), Advanced LIGO вивела гравітаційно-хвильову астрономію з області фантастики в область реальності.

Що це означає для астрофізики. Вся астрономія до нинішнього моменту була залежною від світла, від гамма-променів до видимого спектру, мікрохвильових та радіочастот. Але виявлення мерехтіння в просторі-часу — це абсолютно новий спосіб вивчення астрофізичних явищ у Всесвіті. Маючи потрібні детектори з потрібною чутливістю, ми зможемо побачити:

  • злиття нейтронних зірок (і дізнаємось, чи створюють вони гамма-променеві спалахи);
  • злиття білих карликів (і зв’яжемо з ними наднові типу Іа);
  • надмасивні чорні діри, що пожирають інші;
  • гравітаційно-хвильові сигнатури наднових;
  • сигнатури пульсарів;
  • залишкові гравітаційно-хвильові сигнатури народження Всесвіту, можливо.

Зараз гравітаційно-хвильова астрономія знаходиться на самому старті розвитку. Наступними кроками буде збільшення діапазону чутливості і частот, а також зіставлення побаченого в гравітаційному небі з оптичним небом. Майбутнє наближається.

І це ми ще не говоримо про інші великі головоломки. Є темна матерія: більше 80% маси Всесвіту абсолютно невидимі для світла і звичайної (атомного) речовини. Є проблема баріогенезу: чому наша Всесвіт створений з матерії, а не з антиматерії, хоча будь-яка реакція, яку ми коли-небудь спостерігали, повністю симетрична в матерії і антиматерії. Є парадокси чорних дір, космічної інфляції, ще не створена успішна квантова теорія гравітації.

Завжди є спокуса вважати, що наші кращі дні вже позаду, а самі важливі і революційні відкриття вже зроблені. Але якщо ми хочемо осмислити найбільші питання з усіх — звідки взявся Всесвіт, з чого він насправді складається, як з’явився і куди рухається, чим закінчиться — нам ще належить багато зробити. Маючи безпрецедентні за розмірами, діапазоном і чутливістю телескопи, ми зможемо дізнатись більше, ніж знали коли-небудь. Перемога не буває гарантованою, але кожен крок, який ми робимо, наближає нас на один крок ближче до місця призначення. Неважливо, куди ця подорож нас приведе, головне, що воно буде неймовірною.

Залишити відповідь

Увійти за допомогою: 
Inline
Inline