Eeuwenlang hebben we arrogant geloofd dat we bijna alle antwoorden op onze diepste vragen hebben gevonden. Wetenschappers dachten dat de Newtoniaanse mechanica alles beschreef totdat ze de golfkarakteristiek van licht ontdekten. Natuurkundigen dachten dat toen Maxwell elektromagnetisme verenigde, het de finish was, maar toen kwamen relativiteit en kwantummechanica. Velen dachten dat de aard van materie helemaal duidelijk was toen we het proton, neutron en elektron vonden, maar toen kwamen we hoogenergetische deeltjes tegen. In slechts 25 jaar hebben vijf ongelooflijke ontdekkingen ons begrip van het universum veranderd, en elk belooft een grote revolutie. We leven in een geweldige tijd: we hebben de mogelijkheid om de diepten van de mysteries van alle dingen te onderzoeken.
Neutrinomassa
Toen we begonnen met het tellen van de neutrino's die van de zon komen op papier, kregen we een getal gebaseerd op de fusie die binnen moet plaatsvinden. Maar toen we begonnen met het tellen van neutrino's die van de zon kwamen, zagen we slechts een derde van wat werd verwacht. Waarom? Het antwoord kwam pas onlangs naar voren toen een combinatie van metingen van zonne- en atmosferische neutrino's aantoonde dat ze van het ene type naar het andere konden oscilleren. Omdat ze massa hebben.
Wat betekent dit voor astrofysica. Neutrino's zijn de meest voorkomende massieve deeltjes in het heelal: er zijn een miljard keer meer dan elektronen. Als ze massa hebben, volgt daaruit dat:
- ze vormen een fractie van donkere materie, - vallen in galactische structuren,
Promotie video:
- mogelijk een vreemde astrofysische toestand vormen die bekend staat als fermioncondensaat, - kan worden geassocieerd met donkere energie.
Als neutrino's massa hebben, kunnen het ook Majorana-deeltjes zijn (in plaats van de meer gebruikelijke deeltjes van het Dirac-type), die een nieuw type nucleair verval opleveren. Ze kunnen ook superzware linkshandige broeders hebben die donkere materie zouden kunnen verklaren. Neutrino's dragen ook de meeste energie in supernovae, zijn verantwoordelijk voor het afkoelen van neutronensterren, beïnvloeden het nagloeien van de oerknal (CMB) en zijn een essentieel onderdeel van de moderne kosmologie en astrofysica.
Versnellend heelal
Als het heelal begint met een hete oerknal, heeft het twee belangrijke eigenschappen: een initiële expansiesnelheid en een initiële materie / straling / energiedichtheid. Als de dichtheid te groot was, zou het universum weer herenigd worden; als het te klein was, zou het universum voor altijd uitdijen. Maar in ons universum zijn dichtheid en expansie niet alleen perfect in balans, maar een klein deel van deze energie komt in de vorm van donkere energie, wat betekent dat ons universum na 8 miljard jaar snel begon uit te breiden en sindsdien in dezelfde geest is doorgegaan.
Wat betekent dit voor astrofysica. Voor het eerst in de geschiedenis van de mensheid konden we iets leren over het lot van het universum. Alle objecten die niet door zwaartekracht met elkaar verbonden zijn, zullen uiteindelijk verstrooid worden, wat betekent dat alles buiten onze lokale groep op een dag wegvliegt. Maar wat is de aard van donkere energie? Is dit echt een kosmologische constante? Is het gerelateerd aan het kwantumvacuüm? Zou het een veld kunnen zijn waarvan de kracht in de loop van de tijd verandert? Toekomstige missies zoals ESA's Euclid, NASA's WFIRST en nieuwe 30-meter telescopen zullen nauwkeurigere metingen van donkere energie mogelijk maken en ons in staat stellen om nauwkeurig te karakteriseren hoe het universum versnelt. Immers, als de versnelling toeneemt, zal het Universum eindigen in een Big Rip; als het valt, met een grote compressie. Het lot van het hele universum staat op het spel.
Exoplaneten
Een generatie geleden dachten we dat er planeten waren in de buurt van andere sterrenstelsels, maar we hadden geen bewijs om deze stelling te ondersteunen. Momenteel hebben we, grotendeels dankzij de NASA Kepler-missie, duizenden hiervan gevonden en getest. Veel zonnestelsels verschillen van de onze: sommige bevatten super-aardes of mini-Neptunes; sommige bevatten gasreuzen in het binnenste van zonnestelsels; de meeste bevatten werelden ter grootte van de aarde op de juiste afstand van kleine, zwakke rode dwergsterren zodat er vloeibaar water op het oppervlak kan bestaan. Toch valt er nog veel te bezien.
Wat betekent dit voor astrofysica. Voor het eerst in de geschiedenis hebben we werelden ontdekt die potentiële kandidaten voor het leven kunnen zijn. We zijn dichter dan ooit bij het detecteren van tekenen van buitenaards leven in het universum. En veel van deze werelden zullen ooit de thuisbasis zijn van menselijke koloniën als we ervoor kiezen om deze weg te bewandelen. In de 21e eeuw zullen we beginnen met het verkennen van deze mogelijkheden: meet de atmosferen van deze werelden en zoek naar tekenen van leven, stuur ruimtesondes met een aanzienlijke snelheid, analyseer ze op gelijkenis met de aarde in termen van kenmerken als oceanen en continenten, bewolking, zuurstofgehalte in de atmosfeer, tijden van het jaar. Nooit in de geschiedenis van het heelal is hiervoor een geschikter moment geweest.
Higgs boson
De ontdekking van het Higgs-deeltje in de vroege jaren 2010 voltooide eindelijk het standaardmodel van elementaire deeltjes. Het Higgs-deeltje heeft een massa van ongeveer 126 GeV / s2, vervalt na 10-24 seconden en vervalt precies zoals voorspeld door het standaardmodel. Er is geen teken van nieuwe fysica buiten het standaardmodel in het gedrag van dit deeltje, en dat is een groot probleem.
Wat betekent dit voor astrofysica. Waarom is de Higgs-massa veel minder dan de Planck-massa? Deze vraag kan op verschillende manieren worden geformuleerd: waarom is de zwaartekracht zo zwakker dan de andere krachten? Er zijn veel mogelijke oplossingen: supersymmetrie, extra dimensies, fundamentele excitaties (conforme oplossing), Higgs als een samenstellend deeltje (technicolor), enz. Maar tot nu toe hebben deze oplossingen geen bewijzen, en hebben we goed genoeg gekeken?
Op een bepaald niveau moet er iets fundamenteel nieuws zijn: nieuwe deeltjes, nieuwe velden, nieuwe krachten, enz. Ze zullen allemaal van nature astrofysische en kosmologische gevolgen hebben, en al deze effecten zijn afhankelijk van het model. Als de deeltjesfysica, bijvoorbeeld bij de LHC, geen nieuwe hints geeft, zal de astrofysica dat misschien wel doen. Wat gebeurt er bij de hoogste energieën en op de kortste afstanden? De oerknal - en kosmische straling - brachten ons de hoogste energieën dan onze krachtigste deeltjesversneller ooit zou kunnen hebben. De volgende sleutel tot het oplossen van een van de grootste problemen in de natuurkunde komt misschien uit de ruimte, niet op aarde.
Zwaartekrachtsgolven
Al 101 jaar is dit de heilige graal van de astrofysica: de zoektocht naar direct bewijs van Einsteins grootste onbewezen voorspelling. Toen Advanced LIGO in 2015 online ging, was het in staat om de gevoeligheid te bereiken die nodig was om rimpelingen in de ruimtetijd te detecteren van de kortste golflengtebron van zwaartekrachtgolven in het heelal: oprollen en samensmelten van zwarte gaten. Met twee bevestigde detecties onder zijn riem (en hoeveel zullen er nog meer), heeft Advanced LIGO zwaartekrachtgolfastronomie van fantasie naar realiteit gebracht.
Wat betekent dit voor astrofysica. Alle astronomie was tot nu toe afhankelijk van licht, van gammastraling tot het zichtbare spectrum, microgolven en radiofrequenties. Maar het detecteren van rimpelingen in de ruimtetijd is een geheel nieuwe manier om astrofysische verschijnselen in het universum te bestuderen. Met de juiste detectoren met de juiste gevoeligheid kunnen we zien:
- het samenvoegen van neutronensterren (en kijk of ze gammastraaluitbarstingen veroorzaken);
- de fusie van witte dwergen (en we associëren supernovae van type Ia met hen);
- superzware zwarte gaten die andere massa's verslinden;
- handtekeningen van zwaartekrachtgolven van supernovae;
- handtekeningen van pulsars;
- mogelijk resterende gravitatiegolfsignaturen van de geboorte van het heelal.
Nu staat de astronomie van zwaartekrachtgolven aan het begin van haar ontwikkeling en wordt ze nauwelijks een beproefd veld. De volgende stappen zullen zijn om het bereik van gevoeligheid en frequenties te vergroten, evenals de vergelijking van wat wordt gezien in de zwaartekrachtlucht met de optische hemel. De toekomst komt eraan.
En we hebben het niet over andere geweldige puzzels. Er is donkere materie: meer dan 80% van de massa van het heelal is volledig onzichtbaar voor licht en gewone (atomaire) materie. Er is het probleem van de baryogenese: waarom is ons universum vol materie en geen antimaterie, ook al is elke reactie die we ooit hebben waargenomen volledig symmetrisch in materie en antimaterie. Er zijn paradoxen van zwarte gaten, kosmische inflatie en er is nog geen succesvolle kwantumtheorie van zwaartekracht gecreëerd.
Het is altijd verleidelijk om te denken dat onze beste dagen achter ons liggen en dat de belangrijkste en meest revolutionaire ontdekkingen al zijn gedaan. Maar als we de grootste vragen van allemaal willen begrijpen - waar komt het universum vandaan, waaruit het eigenlijk bestaat, hoe het verscheen en waar het naartoe gaat, hoe het zal eindigen - hebben we nog veel werk te doen. Met telescopen die ongekend zijn in grootte, bereik en gevoeligheid, kunnen we meer leren dan we ooit wisten. Overwinning is nooit gegarandeerd, maar elke stap die we zetten, brengt ons een stap dichter bij onze bestemming. Het maakt niet uit waar deze reis ons naartoe brengt, het belangrijkste is dat het ongelooflijk zal zijn.
