Po celé storočia arogantne veríme, že sme našli takmer všetky odpovede na naše najhlbšie otázky. Vedci si mysleli, že newtonovská mechanika popisuje všetko, až kým neobjavia vlnovú povahu svetla. Fyzici si mysleli, že keď Maxwell zjednotil elektromagnetizmus, bola to cieľová čiara, ale potom prišla relativita a kvantová mechanika. Mnohí si mysleli, že podstata hmoty bola úplne jasná, keď sme našli protón, neutrón a elektrón, ale potom sme narazili na vysokoenergetické častice. Za pouhých 25 rokov zmenilo naše neuveriteľné poznanie vesmíru päť neuveriteľných objavov a každý z nich sľubuje epickú revolúciu. Žijeme v úžasnej dobe: máme možnosť nahliadnuť do hlbín záhad všetkých vecí.
Neutrínová hmota
Keď sme začali na papieri počítať neutrína, ktoré pochádzajú zo Slnka, dostali sme číslo založené na fúzii, ktorá sa musí odohrávať vo vnútri. Ale keď sme vlastne začali počítať neutrína prichádzajúce zo Slnka, videli sme iba tretinu toho, čo sa očakávalo. Prečo? Odpoveď sa objavila až nedávno, keď kombinácia meraní slnečných a atmosférických neutrín ukázala, že môžu kmitať od jedného typu k druhému. Pretože majú omšu.
Čo to znamená pre astrofyziku. Neutrína sú najrozšírenejšie masívne častice vo vesmíre: je ich miliónkrát viac ako elektrónov. Ak majú omšu, vyplýva z toho, že:
- tvoria zlomok tmavej hmoty, - pád do galaktických štruktúr, Propagačné video:
- môžu tvoriť zvláštny astrofyzikálny stav známy ako fermionový kondenzát,
- môžu byť spojené s temnou energiou.
Ak majú neutrína hmotnosť, mohli by to byť tiež častice Majorany (skôr ako bežnejšie častice typu Dirac), ktoré poskytujú nový typ jadrového rozpadu. Môžu mať tiež veľmi ťažkých ľavákov, ktorí by mohli vysvetliť temnú hmotu. Neutrína tiež nesú väčšinu energie v supernovách, sú zodpovedné za ochladzovanie neutrónových hviezd, ovplyvňujú dosvit Veľkého tresku (CMB) a sú podstatnou súčasťou modernej kozmológie a astrofyziky.
Zrýchľujúci sa vesmír
Ak vesmír začne horúcim veľkým treskom, bude mať dve dôležité vlastnosti: počiatočnú rýchlosť expanzie a počiatočnú hmotu / žiarenie / hustotu energie. Keby bola hustota príliš veľká, vesmír by sa znova zjednotil; ak je príliš malý, vesmír by sa navždy rozšíril. Ale v našom vesmíre nie je hustota a expanzia iba dokonale vyvážená, ale nepatrný zlomok tejto energie prichádza vo forme temnej energie, čo znamená, že náš vesmír sa začal rýchlo rozširovať po 8 miliardách rokov a odvtedy pokračoval v rovnakom duchu.
Čo to znamená pre astrofyziku. Prvýkrát v histórii ľudstva sme sa mohli dozvedieť niečo málo o osude vesmíru. Všetky objekty, ktoré nie sú navzájom gravitačne spojené, sa nakoniec rozptýlia, čo znamená, že všetko mimo našej miestnej skupiny jedného dňa odletí. Aká je však podstata temnej energie? Je to skutočne kozmologická konštanta? Súvisí to s kvantovým vákuom? Môže to byť pole, ktorého sila sa časom mení? Budúce misie ako Euclid od ESA, WFIRST z NASA a nové 30-metrové ďalekohľady umožnia presnejšie merania tmavej energie a umožnia nám presne charakterizovať, ako sa vesmír zrýchľuje. Ak sa totiž zrýchlenie zvýši, vesmír sa skončí veľkým ripom; ak padne, s veľkou kompresiou. V hre je osud celého vesmíru.
Exoplanéty
Pred generáciou sme si mysleli, že v blízkosti iných hviezdnych systémov sú planéty, ale nemali sme nijaké dôkazy na podporu tejto tézy. V súčasnosti sme vďaka veľkej časti misii NASA Kepler našli a testovali tisíce z nich. Veľa solárnych systémov sa líši od tých našich: niektoré obsahujú superzemy alebo minineptúny; niektoré obsahujú plynné obry vo vnútri solárnych systémov; väčšina obsahuje svety veľkosti Zeme v správnej vzdialenosti od malých, slabých, červených trpasličích hviezd, aby na povrchu mohla existovať tekutá voda. Stále zostáva ešte veľa vidieť.
Čo to znamená pre astrofyziku. Prvýkrát v histórii sme objavili svety, ktoré by mohli byť potenciálnymi kandidátmi na život. Sme bližšie ako kedykoľvek predtým k detekcii známok mimozemského života vo vesmíre. A veľa z týchto svetov môže byť niekedy domovom ľudských kolónií, ak sa rozhodneme ísť touto cestou. V 21. storočí začneme skúmať tieto možnosti: zmerať atmosféry týchto svetov a hľadať známky života, vysielať vesmírne sondy značnou rýchlosťou, analyzovať ich na podobnosť so Zemou z hľadiska vlastností ako sú oceány a kontinenty, oblačnosť, obsah kyslíka v atmosfére, časy roku. Nikdy v histórii vesmíru pre to nebol vhodnejší okamih.
Higgsov bozón
Objav Higgsovej častice začiatkom roku 2010 konečne zavŕšil štandardný model elementárnych častíc. Higgsov bozón má hmotnosť asi 126 GeV / s2, rozpadá sa po 10 až 24 sekundách a rozpadá sa presne tak, ako to predpovedal štandardný model. V správaní sa tejto častice nie je žiadna známka novej fyziky mimo štandardného modelu, a to je veľký problém.
Čo to znamená pre astrofyziku. Prečo je Higgsova hmotnosť oveľa menšia ako Planckova hmotnosť? Túto otázku je možné formulovať rôznymi spôsobmi: prečo je gravitačná sila taká slabšia ako ostatné sily? Existuje veľa možných riešení: supersymetria, extra dimenzie, základné excitácie (konformné riešenie), Higgs ako konštitučná častica (technicolor) atď. Ale zatiaľ tieto riešenia nemajú dôkazy a pozreli sme sa dostatočne pozorne?
Na určitej úrovni musí existovať niečo zásadne nové: nové častice, nové polia, nové sily atď. Všetky budú mať svojou povahou astrofyzikálne a kozmologické následky a všetky tieto účinky závisia od modelu. Ak časticová fyzika, napríklad na LHC, neposkytuje žiadne nové náznaky, možno to urobí astrofyzika. Čo sa deje pri najvyšších energiách a na najkratších vzdialenostiach? Veľký tresk - a kozmické lúče - nám priniesli najvyššie energie, aké kedy náš najsilnejší urýchľovač častíc mohol mať. Ďalším kľúčom k riešeniu jedného z najväčších problémov fyziky môže byť vesmír, nie Zem.
Gravitačné vlny
Už 101 rokov to bol svätý grál astrofyziky: hľadanie priamych dôkazov o Einsteinovej najväčšej nedokázanej predpovedi. Keď spoločnosť Advanced LIGO prešla v roku 2015 do režimu online, dokázala dosiahnuť citlivosť potrebnú na detekciu vlniek v časopriestore od zdroja najkratšej vlnovej dĺžky gravitačných vĺn vo vesmíre: odvíjania a spájania čiernych dier. Spoločnosť Advanced LIGO s dvoma potvrdenými detekciami pod pásom (a koľko ich ešte bude) priniesla astronómiu gravitačných vĺn z fantázie do reality.
Čo to znamená pre astrofyziku. Celá astronómia bola doteraz závislá na svetle, od gama lúčov po viditeľné spektrum, mikrovlnné a rádiové frekvencie. Detekcia vln v časopriestore je ale úplne nový spôsob štúdia astrofyzikálnych javov vo vesmíre. So správnymi detektormi so správnou citlivosťou vidíme:
- splývanie neutrónových hviezd (a zistenie, či vytvárajú výboje gama žiarenia);
- spojenie bielych trpaslíkov (a spájame s nimi supernovy typu Ia);
- supermasívne čierne diery požierajúce ďalšie masy;
- podpisy gravitačných vĺn supernov;
- podpisy pulzarov;
- zvyškové podpisy gravitačných vĺn zrodu vesmíru, príp.
Teraz je astronómia gravitačných vĺn na samom začiatku vývoja a ťažko sa stane osvedčeným poľom. Ďalším krokom bude zvýšenie rozsahu citlivosti a frekvencií, ako aj porovnanie toho, čo je vidieť na gravitačnej oblohe s optickou oblohou. Budúcnosť prichádza.
A to nehovoríme o ďalších skvelých hádankách. Existuje temná hmota: viac ako 80% hmotnosti vesmíru je úplne neviditeľné pre ľahkú a bežnú (atómovú) hmotu. Existuje problém baryogenézy: prečo je náš vesmír plný hmoty a nie antihmoty, aj keď každá reakcia, ktorú sme kedy pozorovali, je v hmote a antihmote úplne symetrická. Existujú paradoxy čiernych dier, kozmickej inflácie a úspešná kvantová teória gravitácie ešte nebola vytvorená.
Vždy existuje pokušenie veriť, že naše najlepšie dni sú za nami, a že už boli urobené najdôležitejšie a revolučné objavy. Ak však chceme pochopiť tie najväčšie otázky zo všetkých - odkiaľ sa vzal vesmír, z čoho sa vlastne skladá, ako sa objavil a kam smeruje, ako to skončí - čaká nás ešte veľa práce. S ďalekohľadmi, ktoré nemajú obdobu čo do veľkosti, rozsahu a citlivosti, sa môžeme naučiť viac, ako sme kedy vedeli. Víťazstvo nie je nikdy zaručené, ale každý náš krok nás vedie o krok bližšie k nášmu cieľu. Nezáleží na tom, kam nás táto cesta zavedie, hlavné je, že to bude neuveriteľné.