Bu yüzyıl neden astrofiziğe ait olacak?
Bilimsel gelişim sürecinde her zaman bilimin sona erdiğini düşünen kibirli insanlar olacaktır - nihai sorunun cevabını bulmaya çok yakınız. Bilimin gelişmesinde buna benzer pek çok örnek vardır. Bilim adamları, Newton mekaniğinin her şeyi tanımlamak için yeterli olduğunu düşündüklerinde, ışığın dalga doğasını keşfettiler. Maxwell elektromanyetizmayı birleştirdiğinde, fizikçiler tüm sırların açığa çıktığına inandılar, ancak görelilik ve kuantum mekaniği yakında doğdu. Protonlar, nötronlar ve elektronlar keşfedildiğinde, birçok insan maddenin özünün, yüksek enerjili parçacık fiziği bize bir dizi temel parçacık getirene kadar zaten bilindiğine inanıyordu. Ondan bir şey öğrenebilirsek, doğanın önünde alçakgönüllü kalmalıyız.
Son 25 yılda, beş şaşırtıcı keşif evren anlayışımızı değiştirdi ve her biri daha büyük bir devrim yaratma potansiyeline sahip.
1. Nötrino kütlesi
Güneşin parlamasının nedeni, çekirdeğindeki sürekli nükleer füzyon reaksiyonudur.Bu süreç, nötrino adı verilen gizemli bir parçacığı serbest bırakacaktır. Güneşin devasa bir nötrino fabrikası olduğu söylenebilir. Parçacık fiziğinin standart modeline göre nötrinoların kütlesi yoktur.
Bilim adamları güneşten gelen nötrinoların sayısını saymaya çalıştıklarında, deney ekipmanında gözlemlenen güneş nötrinolarının sayısının teorik olarak tahmin edilen değerin sadece üçte biri olduğunu buldular. neden? Kayıp güneş nötrinosunun gizemi, fizikçileri uzun süredir şaşırttı. Son yıllara kadar bilim adamları, güneş nötrinolarının güneşten dünyaya olan yolculukları sırasında kendilerinin de değiştiğini keşfettiler, nötrino salınımı adı verilen bir türden diğerine dönüşecekler. Değişimin nedeni nötrinoların çok küçük bir kütleye sahip olmasıdır!
Üç çeşit nötrino.
Astrofizik için ne anlama geliyor? Nötrinolar, evrendeki en bol parçacıklardır. Kaliteye sahiplerse, şu anlama gelir:
-
Küçük bir oranda karanlık madde kaplar;
-
Diğer maddelerle birlikte bir galaksi yapısı oluşturacak;
-
Belki garip bir Fermi yoğunlaşması oluşturacaktır;
-
Belki karanlık enerji ile bir bağlantı vardır;
-
Majorana parçacıkları olabilir ve bu kadar uzun süredir yepyeni bir nükleer bozulma türü olmuş olabilir. .
Bilim adamları ayrıca nötrinoların büyük kütleli solak partnerlere sahip olabileceğine inanıyorlar, eğer durum buysa, karanlık madde sorunu çözülecektir. Buna ek olarak, bir süpernova patladığında, nötrinolar da çok fazla enerji alır; nötron yıldızlarının soğuması da bunlarla ilgilidir; Büyük Patlama'nın son parlamasını da (yani mikrodalga arka plan radyasyonu) etkiler. Nötrinoların gelecekte çok ilginç bir araştırma nesnesi olmaya devam edeceğine ve kozmoloji ve astrofizikte önemli bir rol oynayacaklarına ve bize daha fazla sürpriz getireceğine inanıyorum.
2. Hızlanan bir evren
Big Bang'e döndüğümüzde, iki önemli özelliği vardır: başlangıçtaki genişleme oranı ve başlangıçtaki madde / radyasyon / enerji yoğunluğu. Yoğunluk çok yüksekse evren yeniden çökecek; yoğunluk çok düşükse evren sonsuza dek genişleyecektir. Ancak evrenimizde yoğunluk ve genişleme sadece mükemmel dengede değil, aynı zamanda enerjinin bir kısmı da sözde "karanlık enerji" den gelir, yani evrenin doğumundan yaklaşık 8 milyar yıl sonra bilinmeyen bir gizemli enerji evrenin genişlemesini hızlandırmaya başladı. Ve o zamandan beri devam ediyor.
Evrenin dört olası kaderi. En alttaki gözlemsel verilerle en tutarlı olanıdır ve karanlık enerjiye sahip bir evrendir. (Resim kaynağı: E.Siegel)
Astrofizik için ne anlama geliyor? Bu, insanlık tarihinde evrenin kaderi hakkında ilk kez içgörü kazandık. Yerçekimi ile birbirine bağlı olmayan tüm nesneler sonunda birbirlerinden uzaklaşarak hızlanacak, bu da yerel galaksi grubunun dışındaki tüm nesnelerin eninde sonunda uzaklaşacağı anlamına geliyor. Ama karanlık enerjinin doğası nedir? Kozmolojik sabitten mi geliyor? Kuantum vakumla mı ilgili? Zamanla yoğunluğu değişen bir alan mı? ESA'nın Öklid sondası, NASA'nın WFIRST uydusu ve 30 metrelik teleskopu gibi gelecekteki uzay görevleri, karanlık enerjiyi daha iyi ölçecek ve evrenin nasıl hızlandığını daha iyi incelememizi sağlayacak. Evren hızlanmaya devam ederse büyük bir yırtıkla son bulacak; ivme yavaşlarsa durum tersine dönecek ve evren büyük bir sıkışma ile karşılaşacaktır. Belki yakında evrenin seçimlerini öğreneceğiz.
3. Dış gezegenler
Yıllar önce, bilim adamları başka yıldız sistemlerinde gezegenlerin var olduğuna inanıyorlardı, ancak bu fikri destekleyecek kesin bir kanıt yok. Şimdi, bilim adamları binlerce dış gezegenin varlığını doğruladılar (çoğunlukla NASA'nın Kepler uydusu tarafından keşfedildi). Pek çok güneş sistemi bizimkinden farklıdır: bazıları süper-Dünyalar veya Neptün içerir; bazıları iç güneş sisteminde gaz devleri içerir; bazıları yaşanabilir bölgede dünya boyutunda dünyalar içerir, ancak donuk kırmızı cüceleri çevrelemektedir. Ancak keşfedilecek daha çok şey var.
Kepler uyduları tarafından keşfedilen dış gezegenler. (Resim kaynağı: Ethan Kruse)
Astrofizik için ne anlama geliyor? Yaşamın gelişmesine uygun olma potansiyeline sahip gezegenleri keşfetmek, yabancı yaşamı daha da yakınlaştırma hedefini getiriyor. Ve bu dünyalar bir gün insan uzaylı kolonileri haline gelebilir. 21. yüzyılda bu olasılıkları keşfetmeye başlayacağız: bu yabancı dünyaların atmosferini ölçmek, yaşamın izlerini aramak, bu uzaylılara ultra hızlı uzay sondaları fırlatmak ve okyanusları / kıtaları araştırmak, bulut örtüsü, Atmosferdeki oksijen içeriği vb. Yabancı dünya hakkında merak doluysanız, o zaman en iyi zamanlardan birinde yaşıyorsunuz demektir.
4. Higgs bozonu
On yıllardır fizikçiler, parçacık fiziğinin Standart Modelinin bulmacasının son parçası olan Higgs bozonu'nun peşine düşüyorlar ve birkaç yıl önce keşfedildi. Higgs bozonunun kütlesi yaklaşık 126GeV / c²'dir, 10 ^ -24 saniye sonra bozunacaktır ve standart modelin öngördüğü tüm bozunma modlarına sahiptir. Şimdiye kadar, Higgs bozonunun davranışı Standart Modelin ötesinde yeni bir fizik göstermedi ve bu büyük bir problem.
Higgs bozonu (dışbükey kısım), CMS'deki iki foton kanalında bulunur.
Astrofizik için ne anlama geliyor? Higgs bozonunun kütlesi neden Planck kütlesinden çok daha az? Bu soruyu yeniden ifade etmek gerekirse: Yerçekimi neden diğer temel kuvvetlerden çok daha zayıf? Bu sorunun pek çok olası cevabı vardır: süpersimetri teorisi, ekstra boyutlar, Higgs bozonu kompozit bir parçacıktır (quasicolor), vb. Ancak şu ana kadar bu teorileri destekleyecek hiçbir kanıt yok.
Bir dereceye kadar, bazı daha temel şeyler olmalı: yeni parçacıklar, yeni alanlar, yeni temel kuvvetler vb. Bunların hepsi astrofizik ve kozmoloji üzerinde etkili olacak. Örneğin, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda yeni ipuçları bulunmazsa, cevap muhtemelen astrofizikte gizlidir! En yüksek enerjide ve en kısa ölçekte ne olur? Yapay hızlandırıcılar, Big Bang ve kozmik ışınların ürettiği enerjiyi asla üretemeyecekler. Gelecekte, fizikteki temel büyük problemleri çözmenin ipuçları dünyadan değil uzaydan gelebilir.
5. Yerçekimi dalgaları
Einstein, genel göreliliği yayınladıktan kısa bir süre sonra kütleçekim dalgalarının varlığını öngördü. Son yüz yılda, yerçekimi dalgalarını tespit etmek için doğrudan kanıt, astrofiziğin kutsal kasesi oldu. 2015 yılında, Lazer İnterferometrik Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) yükseltildiğinde, hassasiyeti kara deliklerin işlenmesi ve birleştirilmesiyle yayılan yerçekimi dalgalarının tespit seviyesine ulaştı. Beklentileri karşılayan LIGO, yerçekimi dalgalarının iki kesin kanıtı tespit etti ve gelecekte bu tür daha fazla olay tespit edilecek. Yerçekimi dalgalarının tespiti büyük bir zafer olsa da, daha da önemlisi, evrene yepyeni bir bakış açısı getirdi.
Birleştirilmiş kara delikler, belirli frekanslarda ve genliklerde yerçekimi dalgaları üretecekler, meydana geldiklerinde, bu sesleri bile "duyabiliriz". Elbette başka yerçekimi dalgaları kaynakları da var. (Resim kaynağı: LIGO, NSF, A. Simonnet)
Astrofizik için ne anlama geliyor? Şimdiye kadar, tüm astronomik gözlemler, gama ışınlarından görünür ışığa, mikrodalga ve radyo frekanslarına kadar ışığın algılanmasına dayanıyor. Ancak zaman ve uzay dalgalarını tespit etmek, bize evrendeki astrofiziksel olayları gözlemlemenin yepyeni bir yolunu getirdi. Dedektör uygun hassasiyete sahip olduğu sürece şunları görebiliriz:
-
Nötron yıldızlarının birleşmesi (gama ışını patlamaları yaratıp yaratmayacaklarını inceleyebilirsiniz);
-
Beyaz cücelerin presesyonu ve birleşmesi (ve onları Tip Ia süpernovaları ile ilişkilendirin);
-
Süper kütleli kara delikler diğer nesneleri yutar;
-
Süpernovalardan yerçekimi dalga sinyalleri;
-
Pulsar yetmezliği;
-
Evren doğduğunda üretilen orijinal yerçekimi dalgasının sinyali;
Yerçekimi dalgası astronomisi yeni başladı, ancak bize ek boyutların varlığını tespit etmek gibi birçok olasılık getirdi. Bundan sonra yapılacak şey, hassasiyeti ve frekans aralığını sürekli olarak artırmak ve yerçekimi dalgalarının gördüğü alanı optik uzay ile bağlamaktır.
Kütleçekimsel mercekleme yoluyla bilim adamları, Abel 370 gökada kümesinin maddi dağılımını yeniden oluşturabilirler. Resim iki büyük, dağınık karanlık madde halesini gösteriyor.Bu büyük gökada kümesi, iki küçük gökada kümesinin birleşmesiyle oluşmuş olabilir. (Resim kaynağı: NASA, ESA, D. Harvey, R. Massey, Hubble SM4 ERO Ekibi ve ST-ECF)
Yukarıda bahsettiğimiz beşe ek olarak açıklamamızı bekleyen birçok çözülmemiş gizem var. gibi
-
Evrenin toplam kütlesinin% 80'ini oluşturan karanlık madde nedir?
-
Baryon üretim süreci sorunu: Tüm reaksiyonlarda madde ve antimadde arasında mükemmel simetri görmemize rağmen, evren neden antimadde yerine maddeyle dolu?
-
Kara deliğe düşen bilgi nereye gitti?
-
Evrenin şişmesini ne tetikledi?
-
Başarılı bir kuantum yerçekimi teorisi nasıl oluşturulur?
Zaman-uzay eğriliği yeterince büyüdüğünde, kuantum etkisi de önemli hale gelir. Burada açıklamak için bir kuantum yerçekimi teorisine ihtiyacımız var. (Resim kaynağı: SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı)
En iyi zamanların bitip bitmediğini ve en önemli ve devrim niteliğindeki keşifleri yaptığımızı düşünmeden yardım edemeyen birçok insan var. Ama en temel büyük soruyu - evren nereden geldi, neyden yapıldı ve nihai kaderi nedir - anlamak istiyorsak, yine de büyük çabalar göstermemiz gerekiyor. Yeni nesil teleskopların (benzeri görülmemiş boyut, menzil ve hassasiyete sahip) çevrimiçi hale gelmesi ile astrofizikte daha fazla ilham alacağız. Her ilerleme kaydettiğimizde, gerçeklerden bir adım uzaktayız. Sonunda ne bulursak bulalım, bu süreç zaten yeterince heyecan verici.
