Stoljećima smo bahato vjerovali da smo pronašli gotovo sve odgovore na svoja najdublja pitanja. Znanstvenici su mislili da je Newtonova mehanika sve opisivala sve dok nisu otkrili valnu prirodu svjetlosti. Fizičari su mislili da je Maxwell, kada je ujedinio elektromagnetizam, bio cilj, ali tada su se pojavile relativnost i kvantna mehanika. Mnogi su mislili da je priroda materije potpuno jasna kad smo pronašli proton, neutron i elektron, no onda smo naletjeli na čestice visoke energije. U samo 25 godina, pet nevjerojatnih otkrića preoblikovalo je naše razumijevanje svemira, a svako obećava epsku revoluciju. Živimo u nevjerojatnom vremenu: imamo priliku zaviriti u same dubine tajni svih stvari.
Neutrino masa
Kad smo na papiru počeli računati neutrine koji dolaze sa Sunca, dobili smo broj zasnovan na fuziji koja se mora odvijati unutra. Ali kad smo zapravo počeli brojati neutrine koji dolaze sa Sunca, vidjeli smo samo trećinu očekivanog. Zašto? Odgovor se pojavio tek nedavno kada je kombinacija mjerenja solarnih i atmosferskih neutrina pokazala da mogu oscilirati od jedne do druge vrste. Jer imaju masu.
Što to znači za astrofiziku. Neutrini su najmasovnije masivne čestice u Svemiru: ima milijardu puta više od elektrona. Ako imaju masu, slijedi da:
- čine frakciju tamne tvari, - pasti u galaktičke strukture, Promotivni video:
- možda tvore neobično astrofizičko stanje poznato kao fermionski kondenzat,
- može biti povezano s tamnom energijom.
Ako neutrini imaju masu, to bi također mogle biti čestice Majorane (umjesto češćih čestica tipa Dirac), pružajući novu vrstu raspada nuklearne energije. Mogli bi imati i superteške rođake ljevoruke koji bi mogli objasniti tamnu materiju. Neutrini također nose većinu energije u supernovima, odgovorni su za hlađenje neutronskih zvijezda, utječu na naknadni sjaj Velikog praska (CMB) i važan su dio moderne kozmologije i astrofizike.
Svemir koji ubrzava
Ako Svemir započne vrućim velikim praskom, imat će dva važna svojstva: početnu brzinu širenja i početnu gustoću materije / zračenja / energije. Da je gustoća prevelika, svemir bi se ponovno ujedinio; ako je premalen, svemir bi se zauvijek širio. No, u našem Svemiru gustoća i širenje nisu samo savršeno uravnoteženi, već mali dio te energije dolazi u obliku tamne energije, što znači da se naš Svemir počeo brzo širiti nakon 8 milijardi godina i od tada nastavlja u istom duhu.
Što to znači za astrofiziku. Po prvi puta u povijesti čovječanstva dobili smo priliku naučiti malo o sudbini svemira. Svi objekti koji međusobno nisu gravitacijski povezani na kraju će se raspršiti, što znači da će sve izvan naše lokalne grupe jednog dana odletjeti. Ali koja je priroda tamne energije? Je li ovo doista kozmološka konstanta? Je li povezano s kvantnim vakuumom? Može li to biti polje čija se snaga mijenja s vremenom? Buduće misije poput ESA-inog Euclida, NASA-inog WFIRST-a i novih 30-metarskih teleskopa omogućit će preciznija mjerenja tamne energije i omogućiti nam da točno okarakteriziramo kako svemir ubrzava. Napokon, ako se ubrzanje poveća, Svemir će završiti u Velikom Rippu; ako padne, velikom kompresijom. Ugrožena je sudbina cijelog svemira.
Egzoplanete
Prije jedne generacije mislili smo da postoje planeti u blizini drugih zvjezdanih sustava, ali nismo imali dokaze koji podupiru ovu tezu. Trenutno smo velikim dijelom zahvaljujući misiji NASA Kepler pronašli i testirali tisuće takvih. Mnogi se solarni sustavi razlikuju od našeg: neki sadrže super-Zemlje ili mini-Neptun; neki sadrže plinske divove u unutrašnjosti solarnih sustava; većina sadrži svjetove veličine Zemlje na samo tolikoj udaljenosti od sićušnih, mutnih, crvenih patuljastih zvijezda da tekuća voda postoji na površini. Ipak, mnogo toga ostaje za vidjeti.
Što to znači za astrofiziku. Po prvi put u povijesti otkrili smo svjetove koji bi mogli biti potencijalni kandidati za život. Bliži smo nego ikad prije otkrivanju znakova vanzemaljskog života u svemiru. I mnogi od ovih svjetova mogu jednog dana biti dom ljudskih kolonija ako odlučimo krenuti tim putem. U 21. stoljeću započet ćemo istraživati ove mogućnosti: mjeriti atmosferu tih svjetova i tražiti znakove života, slati svemirske sonde značajnom brzinom, analizirati ih na sličnost sa Zemljom u smislu takvih značajki kao što su oceani i kontinenti, oblačnost, sadržaj kisika u atmosferi, vrijeme godine. Nikad u povijesti svemira nije postojao pogodniji trenutak za ovo.
Higgsov bozon
Otkriće Higgsove čestice početkom 2010-ih konačno je dovršilo Standardni model elementarnih čestica. Higgsov bozon ima masu od oko 126 GeV / s2, raspada se nakon 10-24 sekunde i raspada točno onako kako je predviđao standardni model. U ponašanju ove čestice nema znakova nove fizike izvan Standardnog modela, a to je veliki problem.
Što to znači za astrofiziku. Zašto je Higgsova masa mnogo manja od Planckove mase? Ovo se pitanje može formulirati na različite načine: zašto je gravitacijska sila toliko slabija od ostalih sila? Mnogo je mogućih rješenja: supersimetrija, dodatne dimenzije, temeljna pobuđenja (konformna otopina), Higgs kao sastavna čestica (technicolor) itd. No, zasad ta rješenja nemaju dokaza i jesmo li dovoljno pažljivo pogledali?
Na nekoj razini mora postojati nešto bitno novo: nove čestice, nova polja, nove sile itd. Sve one po svojoj prirodi imat će astrofizičke i kozmološke posljedice, a svi ti učinci ovise o modelu. Ako fizika čestica, na primjer na LHC, ne pruži nikakve nove naznake, možda astrofizika hoće. Što se događa na najvišim energijama i na najkraćim udaljenostima? Veliki prasak - i kozmičke zrake - donijeli su nam najviše energije nego što ih je naš najsnažniji akcelerator čestica ikad mogao imati. Sljedeći ključ za rješavanje jednog od najvećih problema u fizici može doći iz svemira, a ne sa Zemlje.
Gravitacijski valovi
Već 101 godinu ovo je sveti gral astrofizike: potraga za izravnim dokazima Einsteinovog najvećeg nedokazanog predviđanja. Kada je Advanced LIGO 2015. godine stupio na mrežu, uspio je postići osjetljivost potrebnu za otkrivanje mreškanja u svemiru iz izvora gravitacijskih valova s najkraćom valnom duljinom u Svemiru: namotavanja i spajanja crnih rupa. S dva potvrđena otkrivanja u pojasu (i koliko ih je više), Advanced LIGO pretvorio je astronomiju gravitacijskog vala iz fantazije u stvarnost.
Što to znači za astrofiziku. Sva astronomija do sada ovisila je o svjetlosti, od gama zraka do vidljivog spektra, mikrovalnih i radio frekvencija. Ali otkrivanje mreškanja u svemiru je posve nov način proučavanja astrofizičkih pojava u svemiru. S pravim detektorima s odgovarajućom osjetljivošću možemo vidjeti:
- spajanje neutronskih zvijezda (i saznati stvaraju li one rafalne zrake);
- spajanje bijelih patuljaka (i s njima povezujemo supernove tipa Ia);
- supermasivne crne rupe koje proždiru druge mase;
- gravitacijski valovi potpisa supernova;
- potpisi pulsara;
- preostali gravitacijski-valni potpisi rođenja Svemira, moguće.
Sada je astronomija gravitacijskih valova na samom početku razvoja, teško da bi postala provjereno područje. Sljedeći će koraci biti povećanje opsega osjetljivosti i frekvencija, kao i usporedba onoga što se vidi na gravitacijskom nebu s optičkim nebom. Budućnost dolazi.
I ne govorimo o drugim sjajnim zagonetkama. Postoji tamna tvar: više od 80% mase Svemira potpuno je nevidljivo za svjetlost i običnu (atomsku) materiju. Tu je problem bariogeneze: zašto je naš svemir prepun materije, a ne antimaterije, iako je svaka reakcija koju smo ikad promatrali u materiji i antimateriji potpuno simetrična. Postoje paradoksi crnih rupa, kozmičke inflacije, a uspješna kvantna teorija gravitacije još nije stvorena.
Uvijek postoji napast vjerovati da su naši najbolji dani iza nas i da su najvažnija i revolucionarna otkrića već napravljena. Ali ako želimo shvatiti najveća pitanja od svih - odakle je nastao Svemir, od čega se zapravo sastoji, kako se pojavio i kamo ide, kako će završiti - pred nama je još puno posla. Pomoću teleskopa bez presedana u veličini, dometu i osjetljivosti možemo naučiti više nego što smo ikad znali. Pobjeda nikad nije zajamčena, ali svaki naš korak približava nas cilju. Nije važno kamo nas ovo putovanje vodi, glavno je da će biti nevjerojatno.
