Пять причин, почему 21 век станет расцветом астрофизики
На протяжении многих веков мы высокомерно считали, что нашли почти все ответы на самые глубокие вопросы. Ученые думали, что механика Ньютона описывает все, пока не обнаружили волновую природу света. Физики думали, что когда Максвелл объединил электромагнетизм, это финиш, но затем появились теория относительности и квантовая механика. Многие думали, что природа вещества полностью ясна, когда мы нашли протон, нейтрон и электрон, но затем наткнулись на высокоэнергетические частицы. Всего за 25 последних лет пять невероятных открытий изменили наше понимание Вселенной, и каждое из них обещает грандиозную революцию. Мы живем в удивительное время: у нас есть возможность заглянуть в самые глубины загадок всего сущего.
Масса нейтрино
Когда мы начали просчитывать на бумаге нейтрино, которые приходят с Солнца, мы получили число, основанное на синтезе, который должен происходить внутри. Но когда мы начали по факту считать нейтрино, приходящие с Солнца, мы увидели лишь треть ожидаемого. Почему? Ответ появился только недавно, когда сочетание измерений солнечных и атмосферных нейтрино показало, что они могут осциллировать из одного типа в другой. Потому что у них есть масса.
Что это означает для астрофизики. Нейтрино — самые распространенные массивные частицы во Вселенной: их в миллиард раз больше, чем электронов. Если у них есть масса, из этого следует, что:
они составляют долю темной материи,
попадают в галактические структуры,
возможно, образуют странное астрофизическое состояние, известное как фермионный конденсат,
могут быть связаны с темной энергией.
Если у нейтрино есть масса, они также могут быть майорановскими частицами (а не более распространенными частицами типа Дирака), обеспечивающими новый тип ядерного распада. Также у них могут быть сверхтяжелые собратья-левши, которые могли бы объяснить темную материю. Нейтрино также переносят большую часть энергии в сверхновых, несут ответственность за остывание нейтронных звезд, влияют на послесвечение Большого Взрыва (CMB) и являются важнейшей частью современной космологии и астрофизики.
Ускоряющаяся Вселенная
Если Вселенная начинается с горячего Большого Взрыва, у нее будет два важных свойства: начальная скорость расширения и начальная плотность вещества/излучения/энергии. Если бы плотность была слишком велика, Вселенная воссоединилась бы снова; если слишком мала, Вселенная вечно расширялась бы. Но в нашей Вселенной плотность и расширение не только идеально сбалансированы, но и крошечная часть этой энергии поступает в форме темной энергии, а значит, наша Вселенная начала ускоренно расширяться спустя 8 миллиардов лет и с тех пор продолжает в том же духе.
Что это означает для астрофизики. Впервые за всю историю человечества мы получили возможность узнать немного о судьбе Вселенной. Все объекты, которые не связаны между собой гравитационно, в конечном счете будут разбегаться, а значит все лежащее за пределами нашей локальной группы однажды улетит прочь. Но какова природа темной энергии? Действительно ли это космологическая постоянная? Связана ли она с квантовым вакуумом? Может ли она быть полем, сила которого меняется со временем? Будущие миссии вроде Euclid ЕКА, WFIRST NASA и новых 30-метровых телескопов позволят осуществить более точные измерения темной энергии и позволят нам точно охарактеризовать, как ускоряется Вселенная. В конце концов, если ускорение растет, Вселенная закончится Большим Разрывом; если падает, Большим Сжатием. На кону судьба целой Вселенной.
Экзопланеты
Поколение назад мы думали, что возле других звездных систем существуют планеты, но у нас не было доказательств, подтверждающих этот тезис. В настоящее время, во многом благодаря миссии NASA «Кеплер», мы нашли и проверили тысячи таких. Многие солнечные системы отличаются от наших: некоторые содержат суперземли или мини-Нептуны; некоторые содержат газовые гиганты во внутренних частях солнечных систем; большинство содержат миры размером с Землю на правильном расстоянии от крошечных, тусклых, красных карликовых звезд, чтобы на поверхности могла существовать вода в жидком состоянии. И все же многое еще предстоит выяснить.
Что это означает для астрофизики. Впервые в истории мы обнаружили миры, которые могут быть потенциальными кандидатами для жизни. Мы ближе, чем когда-либо прежде, к обнаружению признаков инопланетной жизни во Вселенной. И многие из этих миров могут когда-нибудь стать домом для человеческих колоний, если мы захотим пойти по этому пути. В 21 веке мы начнем исследовать эти возможности: измерять атмосферы эти миров и искать признаки жизни, отправлять космические зонды на существенной скорости, анализировать их на предмет сходства с Землей по таким признакам, как океаны и континенты, облачный покров, содержание кислорода в атмосфере, времена года. Никогда за всю историю Вселенной не было более подходящего для этого момента.
Бозон Хиггса
Открытие частицы Хиггса в начале 2010-х завершило, наконец, Стандартную модель элементарных частиц. Бозон Хиггса имеет массу около 126 ГэВ/с2, распадается через 10-24 секунды и распадается в точности с предсказаниями Стандартной модели. В поведении этой частицы нет никаких признаков существования новой физики за пределами Стандартной модели, и это большая проблема.
Что это означает для астрофизики. Почему масса Хиггса намного меньше массы Планка? Этот вопрос можно сформулировать по-разному: почему гравитационная сила настолько слабее остальных сил? Существует много возможных решений: суперсимметрия, дополнительные измерения, фундаментальные возбуждения (конформное решение), Хиггс как составная частица (техниколор) и т. д. Но пока у этих решений нет доказательств, да и достаточно ли тщательно мы искали?
На каком-то уровне должно быть что-то принципиально новое: новые частицы, новые поля, новые силы и т. д. Все они по своей природе будут иметь астрофизические и космологические последствия, и все эти эффекты зависят от модели. Если физика частиц, например, на БАК, не обеспечит никаких новых намеков, возможно, астрофизика обеспечит. Что происходит при самых высоких энергиях и на самых коротких дистанциях? Большой Взрыв — и космические лучи — принесли нам самые высокие энергии, чем смог бы самый мощный наш ускоритель частиц. Следующий ключ к решению одной из самых больших проблем в физике может появиться из космоса, а не на Земле.
Гравитационные волны
На протяжении 101 года это был святой Грааль астрофизики: поиск прямых доказательств самого большого недоказанного предсказания Эйнштейна. Когда Advanced LIGO вышла на связь в 2015 году, ей удалось достичь чувствительности, необходимой для регистрации ряби пространства-времени из самого коротковолнового источника гравитационных волн во Вселенной: закручивающиеся по спирали и сливающиеся черные дыры. Имея два подтвержденных обнаружения за поясом (и сколько их еще будет), Advanced LIGO вывела гравитационно-волновую астрономию из области фантастики в область реальности.
Что это означает для астрофизики. Вся астрономия до нынешнего момента была зависимой от света, от гамма-лучей до видимого спектра, микроволновых и радиочастот. Но обнаружение ряби в пространстве-времени — это совершенно новый способ изучения астрофизических явлений во Вселенной. Имея нужные детекторы с нужной чувствительностью, мы сможем увидеть:
слияние нейтронных звезд (и узнаем, создают ли они гамма-лучевые вспышки);
слияние белых карликов (и свяжем с ними сверхновые типа Iа);
сверхмассивные черные дыры, пожирающие другие массы;
гравитационно-волновые сигнатуры сверхновых;
сигнатуры пульсаров;
остаточные гравитационно-волновые сигнатуры рождения Вселенной, возможно.
Сейчас гравитационно-волновая астрономия находится на самом старте развития, едва ли став проверенной областью. Следующими шагами будет увеличение диапазона чувствительности и частот, а также сопоставление увиденного в гравитационном небе с оптическим небом. Будущее грядет.
И это мы еще не говорим о других великих головоломках. Есть темная материя: больше 80% массы Вселенной совершенно невидима для света и обычного (атомного) вещества. Есть проблема бариогенеза: почему наша Вселенная полна материи, а не антиматерии, хотя любая реакция, которую мы когда-либо наблюдали, полностью симметрична у материи и антиматерии. Есть парадоксы черных дыр, космической инфляции, еще не создана успешная квантовая теория гравитации.
Всегда есть соблазн считать, что наши лучшие дни уже позади, а самые важные и революционные открытия уже сделаны. Но если мы хотим осмыслить самые большие вопросы из всех — откуда взялась Вселенная, из чего она на самом деле состоит, как появилась и куда движется, чем закончится — нам еще предстоит много работы. Имея беспрецедентные по размерам, диапазону и чувствительности телескопы, мы сможем узнать больше, чем знали когда-либо. Победа не бывает гарантированной, но каждый шаг, который мы предпринимаем, приближает нас на один шаг ближе к месту назначению. Неважно, куда это путешествие нас приведет, главное, что оно будет невероятным.