הכוכבים בתוך עמודי הבריאה ומחוצה להם מתגלים באינפרא אדום. בעוד האבל מרחיב את השקפתו ל -1.6 מיקרון, יותר מפי שניים מגבול האור הנראה, ג'יימס ווב ייצא ל -30 מיקרון: שוב כמעט פי 20. קרדיט תמונה: NASA, ESA וצוות המורשת האבל (STScI).

5 סיבות מדוע המאה ה -21 תהיה הטובה ביותר אי פעם לאסטרופיזיקה

המאה ה -20 ערכה התקדמות מדהימה בכל המדע. אולם ימיהם הטובים ביותר של האסטרופיסיקה טרם יגיעו.

"כשמצאנו כיצד גרעין האטומים בנוי, נמצא את הסוד הגדול מכולם - פרט לחיים." ארנסט רתרפורד

זה היה מצרך עיקרי של המדע לאורך מאות השנים: המחשבה היהירה שכמעט הגענו לתשובות האולטימטיביות לשאלות העמוקות ביותר שלנו. מדענים חשבו שהמכניקה של ניוטון תיארה את הכל, עד שגילו את טבע האור של הגל. הפיזיקאים חשבו שאנחנו כמעט שם כשמקסוול איחד את האלקטרומגנטיות, ואז הגיעה היחסות ומכניקת הקוונטים. ורבים חשבו שטבעם של החומר היה שלם כשגילינו את הפרוטון, הנויטרון והאלקטרון, עד שפיזיקת החלקיקים באנרגיה גבוהה חשפה יקום שלם של חלקיקים יסודיים. רק ב -25 השנים האחרונות חמש תגליות מדהימות שינו את הבנתנו את היקום, וכל אחת מהן מבטיחה מהפכה גדולה עוד יותר. מעולם לא היה זמן טוב יותר לבדוק את תעלומות הקיום העמוקות ביותר.

אירועי נייטרינו מרובים, ששוחזרו מגלאי נייטרינו נפרדים (בדומה לסופר-קמיוקנדה, המוצג כאן), הצביעו על התרחשות של סופרנובה לפני שאף אות כלשהו התרחש מעולם. קרדיט תמונה: שיתוף פעולה סופר קמיוקנדה / תומאש ברשצ'אק.

1.) מסת Neutrino. כשהתחלנו לחשב את הנייטרינים שצריכים להגיע מהשמש, הגענו למספר המבוסס על המיזוג שחייב להתרחש בפנים. כשמדדנו את הנייטרינים המגיעים מהשמש, ראינו רק שליש ממה שציפינו. למה? תשובה זו עלתה רק לאחרונה, כאשר שילוב של מדידות של נייטרינים סולאריים ושל אטמוספרי גילה שהם יכולים לתנוד מסוג אחד לסוג אחר, בשל העובדה שיש להם מסה!

מה המשמעות של אסטרופיזיקה: נויטרנו הם החלקיקים המסיביים השופעים ביותר ביקום: כמיליארד פי כמה מאלקטרונים. אם יש להם מסה, הם עושים את הדברים הבאים:

  • מהווים שבריר מהחומר האפל,
  • ליפול למבנים גלקטיים בזמנים מאוחרים,
  • אולי ליצור מצב אסטרופיזי מוזר המכונה עיבוי פרמיוני,
  • ויכול להיות שיש להם חיבור לאנרגיה אפלה.

נייטרינו, אם יש להם מסה, עשויים להיות גם חלקיקי מיוראנה (ולא החלקיקים הנפוצים יותר מסוג Dirac), שעשויים לאפשר סוג חדש של ריקבון גרעיני. יתכן שיש להם גם עמיתיהם שמאלנים כבדים במיוחד, העשויים להסביר את העניין האפל. הניוטרינו אחראי גם על נשיאת דרך של חלק גדול מאנרגיה בסופר-נובה, הם אחראיים על כך שכוכבי הנויטרונים מתקררים, משפיעים על זוהר השאריות של המפץ הגדול (CMB), ויישארו חלק מעניין ופוטנציאלי חשוב בקוסמולוגיה המודרנית ובאסטרופיזיקה.

ארבעת הגורל האפשרי של היקום, כאשר הדוגמה התחתונה מתאימה לנתונים בצורה הטובה ביותר: יקום עם אנרגיה אפלה. קרדיט תמונה: א. סיגל.

2.) היקום המאיץ. אם אתה מתחיל את היקום במפץ הגדול הלוהט, יש לו שני תכונות חיוניות: קצב התפשטות ראשוני וצפיפות חומר / קרינה / אנרגיה ראשונית. אם הצפיפות הייתה גדולה מדי, היקום היה נופל מחדש; אם הוא היה קטן מדי, היקום היה מתרחב לנצח. אולם ביקום שלנו, הצפיפות וההתרחבות לא רק מאוזנות בצורה מושלמת, אלא שכמות זעירה של אנרגיה זו מגיעה בצורת אנרגיה אפלה, מה שאומר שהיקום שלנו מתחיל להאיץ אחרי 8 מיליארד שנים, והמשיך לעשות זאת מאז .

מה המשמעות של האסטרופיזיקה: בפעם הראשונה בהיסטוריה האנושית, יש לנו למעשה תובנה מסוימת לגבי גורל היקום. כל האובייקטים שאינם קשורים בכבידה יחד בסופו של דבר יואצים זה מזה, כלומר כל מה שמעבר לקבוצה המקומית שלנו יאיץ בסופו של דבר. אבל מה טיבה של אנרגיה אפלה? האם זה באמת קבוע קוסמולוגי? האם זה קשור לוואקום הקוונטי? האם זה תחום שכוחו משתנה עם הזמן? משימות הקרובות, כמו Euclid של ESA, הלוויין WFIRST של נאס"א והטלסקופים החדשים בגודל 30 מטר שיגיעו לרשת ימדדו טוב יותר את האנרגיה האפלה ויאפשרו לנו לאפיין בדיוק את האופן שבו היקום מאיץ. אחרי הכל, אם התאוצה תגבר בכוח, היקום יסתיים בריפ גדול; אם זה יקטן ויתהפך, אנחנו עדיין יכולים לקבל מחץ גדול. עצם גורלו של היקום עומד כאן על כף המאזניים.

תמונת 2010 זו של שלושה מתוך ארבע המעטפת המוכרת המסתובבת עם HR 8799 מייצגת את הפעם הראשונה שבה הטלסקופ הקטן הזה - פחות מבני אדם בוגר מלא - שימש לדימוי ישיר של Exoplanet. קרדיט תמונה: נאס

3.) Exoplanets. לפני דור, חשבנו שישנם כוכבי לכת סביב מערכות כוכבים אחרות, אך לא היו לנו עדויות שתומכות בטענה זו. נכון לעכשיו, בעיקר בזכות משימת קפלר של נאס"א, מצאנו ואמתנו אלפים. מערכות שמש רבות שונות משלנו: חלקן מכילות עלי אדמות או מיני נפטונים; חלקם מכילים ענקי גז בחלקים הפנימיים של מערכות השמש; רוב אלה המכילים עולמות בגודל כדור הארץ במרחק הנכון למסלול מים נוזליים סביב כוכבים גמדים זעירים, קלושים, אדומים, ולא כוכבים כמו השמש שלנו. ובכל זאת, יש עוד הרבה דברים לגלות.

מה המשמעות של אסטרופיזיקה: לראשונה אי פעם, זיהינו עולמות שהם מועמדים פוטנציאליים לכוכבי לכת מיושבים. אנו קרובים מתמיד למציאת סימנים של חיים זרים ביקום. ורבים מהעולמות הללו עשויים להפוך ביום מן הימים לבת מושבות אנושיות, אם אנו בוחרים לרדת בדרך זו. המאה ה -21 תראה אותנו מתחילים לחקור את האפשרויות הללו: למדוד את האטמוספרות של העולמות הללו ולחפש סימני חיים, לשלוח אליהם בדיקות חלל בשבריר משמעותי ממהירות האור, ולאפיין אותם לפי הדמיון שלהם ל כדור הארץ מבחינת אוקיינוסים / יבשות, כיסוי ענן, תכולת חמצן באטמוספירה וכמה אדמתם "ירוקה" מהקיץ לחורף. אם אתה סקרן לגבי האמת שיש ביקום, מעולם לא היה זמן טוב יותר לחיות.

גילוי ה- Higgs Boson בערוץ הדי-פוטון (γγ) ב- CMS. אשראי תמונה: שיתוף פעולה ב- CERN / CMS.

4.) היגס בוסון. גילוי חלקיק היגס בראשית שנות ה -2010 השלים, סוף סוף, את המודל הסטנדרטי של חלקיקים יסודיים. לבוסון היגס יש מסה של כ- 126 GeV / c2, דעיכה לאחר כ-10–24 שניות, ויש לו את כל ההתפרקות שהמודל הסטנדרטי מנבא עליו. אין שום חתימות של פיזיקה חדשה מעבר למודל הסטנדרטי בכלל בהתנהגות החלקיק הזה, וזו בעיה גדולה.

מה המשמעות של אסטרופיזיקה: מדוע מסת האיגס כל כך פחותה ממסת פלאנק? זו שאלה שאפשר לנסח אחרת: מדוע כוח הכבידה חלש בהרבה מכל שאר הכוחות? יש הרבה פתרונות אפשריים: סופר-סימטריה, מידות נוספות, עירור בסיסי (הפיתרון הקונפורמטיבי), ההיגס הוא חלקיק מורכב (טכניקולור) וכו '. אך עד כה, לכל הפתרונות האלה אין שום הוכחות התומכות בהם, ולנער, יש לנו נראה!

ברמה מסוימת חייב להיות שם משהו חדש ביסודו: חלקיקים חדשים, שדות חדשים, כוחות חדשים וכו '. לכל אלה יהיה, מטבעם, השלכות אסטרופיזיות וקוסמולוגיות, וההשפעות הללו תלויות במודל. אם פיזיקת החלקיקים, למשל ב- LHC, לא מניבה רמזים חדשים, יתכן שאסטרופיסיקה תעשה זאת! מה קורה באנרגיות הגבוהות ביותר ובסולמות המרחק הקצרים מכולם? המפץ הגדול - וגם קרניים קוסמיות - הביאו לנו אנרגיות גבוהות יותר מכל מאיץ מעשה ידי אדם שאי פעם יהיה. הרמזים הבאים לפיתרון אחת הבעיות הגדולות ביותר בפיזיקה עשויים להגיע מהחלל, ולא מכדור הארץ.

מיזוג חורים שחורים הם מחלקה אחת של עצמים היוצרים גלי כבידה של תדרים ומשרדי כוח מסוימים. בזכות גלאים כמו LIGO, אנו יכולים 'לשמוע' את הצלילים הללו בזמן שהם מתרחשים. קרדיט תמונה: LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU).

5.) גלי כבידה. במשך 101 שנה זו הייתה הגביע הקדוש של האסטרופיזיקה: חיפוש אחר עדויות ישירות לתחזית הגדולה ביותר שאינו מאומת. כאשר Advanced LIGO עלה לרשת בשנת 2015, הוא השיג את הרגישות הדרושה לגילוי האדוות ממקורות הגל הכבידתי בתדירות הקצרה ביותר ובעוצמה הגבוהה ביותר ביקום: השראה ומיזוג חורים שחורים. עם שתי איתורים מאושרים מתחת לחגורתו (ועוד בדרך), Advanced LIGO העביר אסטרונומיה של גל הכבידה מאפשרות למדע בנאמנות.

מה המשמעות של האסטרופיזיקה: כל האסטרונומיה, עד כה, הייתה מבוססת אור, מקרני גאמה ועד אור גלוי כל הדרך לתדרי מיקרוגל ורדיו. אולם איתור אדוות בחלל הוא דרך חדשה לחלוטין לראות תופעות אסטרופיזיות ביקום. עם הגלאים הנכונים ברגישויות הנכונות, נוכל לראות:

  • מיזוגי כוכבי נויטרונים (ולמד האם הם יוצרים התפרצויות קרני gamm)
  • השראה ומיזוג ננסי לבן גמדי (וכדי לתאם ביניהם עם סופרנובות מסוג Ia),
  • חורים שחורים סופר-מסיביים טורפים המונים אחרים,
  • חתימות גל כבידה של סופרנובות,
  • תקלות פולסר,
  • ואולי גם חתימת גל הכבידה שנשארה מלידת היקום.

אסטרונומיה של גל הכבידה נמצאת בחיתוליה, אך זה עתה הפכה לתחום מדעי בנאמנות. השלבים הבאים הם הגדלת הרגישות וטווח התדרים, ולהתחיל לתאם בין מה שאנו רואים בשמי הכבידה לבין השמים האופטיים. העתיד בדרך.

התפלגות ההמונים של האשכול אבל 370. ששוחזרה באמצעות עדשות כבידה, מציגה שתי הילות מסה גדולות ומפוזרות, בקנה אחד עם חומר אפל עם שני אשכולות המתמזגים כדי ליצור את מה שאנחנו רואים כאן. קרדיט תמונה: NASA, ESA, ד. הארווי (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, שוויץ), R. Massey (אוניברסיטת דוראם, בריטניה), צוות ה- E4 של האבל ו- ST-ECF.

זה אפילו לא סופר כמה מהפאזלים הגדולים האחרים שיש שם. יש חומר אפל: העובדה שמעל 80% מהמסה ביקום בלתי נראית לחלוטין גם לחומר קל וגם רגיל (אטומי). יש את הבעיה של בריוגנזה: מדוע היקום שלנו מלא בחומר ולא אנטי-חומר, למרות שכל תגובה שאי פעם צפינו היא סימטרית לחלוטין בין חומר לאנטי-חומר. ישנם פרדוקסים הקשורים לחורים שחורים; יש תעלומות ואלמונים סביב האינפלציה הקוסמית; עדיין לא בנה תיאוריה קוונטית מצליחה של כוח הכבידה.

כאשר עקמומיות החלל הופכת להיות גדולה מספיק, גם השפעות קוונטיות גדולות; גדולים מספיק כדי לפסול את הגישות הרגילות שלנו לבעיות בפיזיקה. קרדיט תמונה: מעבדת המאיץ הלאומי של SLAC.

תמיד יש פיתוי לחשוב שהימים הטובים ביותר שלנו עומדים מאחורינו, וכי התגלית החשובה והמהפכנית ביותר כבר נעשתה. אבל אם אנו רוצים להבין את השאלות הגדולות מכולן - מאיפה היקום שלנו, ממה הוא באמת עשוי, איך הוא קרה, לאן הוא פונה בעתיד הרחוק, איך הכל ייגמר - עדיין יש לנו עבודה לעשות . עם טלסקופים חסרי תקדים בגודל, טווח ורגישות המוגדרים להיכנס לרשת, אנו עומדים ללמוד עוד דברים שידענו בעבר. לעולם אין ערובה לניצחון, אבל כל צעד שאנחנו עושים מקרב אותנו צעד אחד קרוב יותר ליעד שלנו. לא משנה היכן יתברר, המסע ממשיך להיות עוצר נשימה.

Starts With A Bang נמצא כעת בפורבס, והופץ מחדש בבינוני בזכות תומכי הפטרון שלנו. איתן כתב שני ספרים, מעבר לגלקסיה, וטרקנולוגיה: המדע של מסע בין כוכבים מטריקורנס לכונן עיוות!