Seit Jahrhunderten glauben wir arrogant, dass wir fast alle Antworten auf unsere tiefsten Fragen gefunden haben. Wissenschaftler dachten, die Newtonsche Mechanik habe alles beschrieben, bis sie die Wellennatur des Lichts entdeckten. Die Physiker dachten, als Maxwell den Elektromagnetismus vereinheitlichte, war dies die Ziellinie, aber dann kamen Relativitätstheorie und Quantenmechanik hinzu. Viele dachten, die Natur der Materie sei völlig klar, als wir Protonen, Neutronen und Elektronen fanden, aber dann stießen wir auf energiereiche Teilchen. In nur 25 Jahren haben fünf unglaubliche Entdeckungen unser Verständnis des Universums verändert, und jede verspricht eine epische Revolution. Wir leben in einer erstaunlichen Zeit: Wir haben die Möglichkeit, in die Tiefen der Geheimnisse aller Dinge zu schauen.
Neutrino-Masse
Als wir anfingen, die Neutrinos, die von der Sonne kommen, auf Papier zu zählen, erhielten wir eine Zahl, die auf der Fusion basiert, die im Inneren stattfinden muss. Aber als wir anfingen, Neutrinos zu zählen, die von der Sonne kommen, sahen wir nur ein Drittel dessen, was erwartet wurde. Warum? Die Antwort ergab sich erst kürzlich, als eine Kombination von Messungen von solaren und atmosphärischen Neutrinos zeigte, dass sie von einem Typ zum anderen schwingen können. Weil sie Masse haben.
Was bedeutet das für die Astrophysik? Neutrinos sind die am häufigsten vorkommenden massiven Teilchen im Universum: Es gibt eine Milliarde Mal mehr als Elektronen. Wenn sie Masse haben, folgt daraus:
- sie machen einen Bruchteil der dunklen Materie aus,
- in galaktische Strukturen fallen, Werbevideo:
- möglicherweise einen seltsamen astrophysikalischen Zustand bilden, der als Fermionkondensat bekannt ist, - kann mit dunkler Energie verbunden sein.
Wenn Neutrinos Masse haben, könnten sie auch Majorana-Partikel sein (anstelle der üblicheren Dirac-Partikel), was eine neue Art des nuklearen Zerfalls ermöglicht. Sie können auch superschwere linkshändige Brüder haben, die dunkle Materie erklären könnten. Neutrinos tragen auch den größten Teil der Energie in Supernovae, sind für die Kühlung von Neutronensternen verantwortlich, beeinflussen das Nachleuchten des Urknalls (CMB) und sind ein wesentlicher Bestandteil der modernen Kosmologie und Astrophysik.
Das Universum beschleunigen
Wenn das Universum mit einem heißen Urknall beginnt, hat es zwei wichtige Eigenschaften: eine anfängliche Expansionsrate und eine anfängliche Materie / Strahlung / Energiedichte. Wenn die Dichte zu groß wäre, würde das Universum wieder vereint werden; Wenn es zu klein wäre, würde sich das Universum für immer ausdehnen. Aber in unserem Universum sind Dichte und Ausdehnung nicht nur perfekt ausbalanciert, sondern ein winziger Teil dieser Energie kommt in Form von dunkler Energie vor, was bedeutet, dass unser Universum nach 8 Milliarden Jahren schnell zu expandieren begann und sich seitdem im gleichen Geist fortgesetzt hat.
Was bedeutet das für die Astrophysik? Zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit hatten wir die Gelegenheit, etwas über das Schicksal des Universums zu lernen. Alle Objekte, die nicht gravitativ miteinander verbunden sind, werden sich irgendwann zerstreuen, was bedeutet, dass eines Tages alles außerhalb unserer lokalen Gruppe wegfliegt. Aber was ist die Natur der dunklen Energie? Ist das wirklich eine kosmologische Konstante? Hängt es mit dem Quantenvakuum zusammen? Könnte es ein Feld sein, dessen Stärke sich im Laufe der Zeit ändert? Zukünftige Missionen wie Euklid der ESA, WFIRST der NASA und neue 30-Meter-Teleskope werden genauere Messungen der Dunklen Energie ermöglichen und es uns ermöglichen, genau zu charakterisieren, wie sich das Universum beschleunigt. Wenn die Beschleunigung zunimmt, endet das Universum schließlich in einem großen Riss. wenn es fällt, mit einer großen Kompression. Das Schicksal des gesamten Universums steht auf dem Spiel.
Exoplaneten
Vor einer Generation dachten wir, dass es Planeten in der Nähe anderer Sternensysteme gibt, aber wir hatten keine Beweise, um diese These zu stützen. Derzeit haben wir zum großen Teil dank der NASA-Kepler-Mission Tausende davon gefunden und getestet. Viele Sonnensysteme unterscheiden sich von unseren: Einige enthalten Supererden oder Mini-Neptune; Einige enthalten Gasriesen im Inneren von Sonnensystemen. Die meisten enthalten Welten von der Größe der Erde, genau in der richtigen Entfernung von winzigen, dunklen roten Zwergsternen, damit flüssiges Wasser an der Oberfläche vorhanden ist. Es bleibt jedoch noch viel zu sehen.
Was bedeutet das für die Astrophysik? Zum ersten Mal in der Geschichte haben wir Welten entdeckt, die potenzielle Kandidaten für das Leben sein könnten. Wir sind näher als je zuvor daran, Anzeichen von außerirdischem Leben im Universum zu entdecken. Und viele dieser Welten könnten eines Tages die Heimat menschlicher Kolonien sein, wenn wir uns für diesen Weg entscheiden. Im 21. Jahrhundert werden wir beginnen, diese Möglichkeiten zu erforschen: Messen Sie die Atmosphären dieser Welten und suchen Sie nach Lebenszeichen, senden Sie Raumsonden mit einer signifikanten Geschwindigkeit, analysieren Sie sie auf Ähnlichkeit mit der Erde hinsichtlich Merkmalen wie Ozeanen und Kontinenten, Wolkendecke, Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre, Zeiten des Jahres. Nie in der Geschichte des Universums gab es dafür einen passenderen Moment.
Higgs Boson
Die Entdeckung des Higgs-Partikels in den frühen 2010er Jahren vervollständigte schließlich das Standardmodell der Elementarteilchen. Das Higgs-Boson hat eine Masse von etwa 126 GeV / s2, zerfällt nach 10-24 Sekunden und zerfällt genau wie vom Standardmodell vorhergesagt. Es gibt keine Anzeichen für eine neue Physik außerhalb des Standardmodells im Verhalten dieses Teilchens, und das ist ein großes Problem.
Was bedeutet das für die Astrophysik? Warum ist die Higgs-Masse viel geringer als die Planck-Masse? Diese Frage kann auf verschiedene Arten formuliert werden: Warum ist die Gravitationskraft so schwächer als die anderen Kräfte? Es gibt viele mögliche Lösungen: Supersymmetrie, zusätzliche Dimensionen, fundamentale Anregungen (konforme Lösung), Higgs als zusammengesetztes Teilchen (Technicolor) usw. Aber bisher haben diese Lösungen keine Beweise, und haben wir sorgfältig genug gesucht?
Auf einer bestimmten Ebene muss es etwas grundlegend Neues geben: neue Teilchen, neue Felder, neue Kräfte usw. Alle von Natur aus haben astrophysikalische und kosmologische Konsequenzen, und all diese Effekte hängen vom Modell ab. Wenn die Teilchenphysik, zum Beispiel am LHC, keine neuen Hinweise liefert, wird dies möglicherweise die Astrophysik tun. Was passiert bei den höchsten Energien und auf den kürzesten Entfernungen? Der Urknall - und die kosmischen Strahlen - brachten uns die höchsten Energien, als unser stärkster Teilchenbeschleuniger jemals haben konnte. Der nächste Schlüssel zur Lösung eines der größten Probleme der Physik könnte aus dem Weltraum kommen, nicht von der Erde.
Gravitationswellen
Seit 101 Jahren ist dies der heilige Gral der Astrophysik: die Suche nach direkten Beweisen für Einsteins größte unbewiesene Vorhersage. Als Advanced LIGO 2015 online ging, konnte es die Empfindlichkeit erreichen, die erforderlich ist, um Wellen in der Raumzeit von der Quelle der Gravitationswellen mit der kürzesten Wellenlänge im Universum zu erkennen: dem Aufwickeln und Zusammenführen von Schwarzen Löchern. Mit zwei bestätigten Entdeckungen (und wie vielen weiteren) hat Advanced LIGO die Gravitationswellenastronomie von der Fantasie in die Realität umgesetzt.
Was bedeutet das für die Astrophysik? Die gesamte Astronomie war bisher vom Licht abhängig, von Gammastrahlen über das sichtbare Spektrum bis hin zu Mikrowellen- und Radiofrequenzen. Das Erkennen von Wellen in der Raumzeit ist jedoch eine völlig neue Methode, um astrophysikalische Phänomene im Universum zu untersuchen. Mit den richtigen Detektoren mit der richtigen Empfindlichkeit können wir sehen:
- Zusammenführen von Neutronensternen (und herausfinden, ob sie Gammastrahlenexplosionen erzeugen);
- die Fusion weißer Zwerge (und wir assoziieren Supernovae vom Typ Ia mit ihnen);
- supermassereiche Schwarze Löcher, die andere Massen verschlingen;
- Gravitationswellensignaturen von Supernovae;
- Signaturen von Pulsaren;
- möglicherweise verbleibende Gravitationswellensignaturen der Geburt des Universums.
Jetzt steht die Gravitationswellenastronomie am Anfang ihrer Entwicklung und wird kaum zu einem bewährten Gebiet. Die nächsten Schritte werden darin bestehen, den Empfindlichkeits- und Frequenzbereich zu vergrößern sowie das, was am Gravitationshimmel zu sehen ist, mit dem optischen Himmel zu vergleichen. Die Zukunft kommt.
Und wir sprechen nicht über andere großartige Rätsel. Es gibt dunkle Materie: Mehr als 80% der Masse des Universums sind für Licht und gewöhnliche (atomare) Materie völlig unsichtbar. Es gibt das Problem der Baryogenese: Warum ist unser Universum voller Materie und nicht Antimaterie, obwohl jede Reaktion, die wir jemals beobachtet haben, in Materie und Antimaterie vollständig symmetrisch ist. Es gibt Paradoxe von Schwarzen Löchern, kosmischer Inflation, und eine erfolgreiche Quantentheorie der Schwerkraft wurde noch nicht erstellt.
Es ist immer wieder verlockend zu glauben, dass unsere besten Tage hinter uns liegen und dass die wichtigsten und revolutionärsten Entdeckungen bereits gemacht wurden. Aber wenn wir die größten Fragen von allen verstehen wollen - woher kam das Universum, woraus es tatsächlich besteht, wie es erschien und wohin es geht, wie es enden wird - haben wir noch viel zu tun. Mit in Größe, Reichweite und Empfindlichkeit beispiellosen Teleskopen können wir mehr lernen, als wir jemals wussten. Der Sieg ist niemals garantiert, aber jeder Schritt, den wir unternehmen, bringt uns unserem Ziel einen Schritt näher. Es ist egal, wohin uns diese Reise führt, die Hauptsache ist, dass es unglaublich sein wird.
