Die Sterne innerhalb und außerhalb der Säulen der Schöpfung werden im Infrarot offenbart. Während Hubble seine Sicht auf 1,6 Mikrometer erweitert, mehr als das Doppelte der Grenze des sichtbaren Lichts, wird James Webb auf 30 Mikrometer hinausgehen: fast 20-mal so weit. Bildnachweis: NASA, ESA und das Hubble Heritage Team (STScI).

5 Gründe, warum das 21. Jahrhundert das beste für die Astrophysik sein wird

Das 20. Jahrhundert brachte einige unglaubliche Fortschritte in der gesamten Wissenschaft. Die besten Tage der Astrophysik stehen jedoch noch bevor.

"Wenn wir herausgefunden haben, wie der Atomkern aufgebaut ist, haben wir das größte Geheimnis von allen gefunden - außer dem Leben." -Ernest Rutherford

Es war im Laufe der Jahrhunderte ein Grundnahrungsmittel der Wissenschaft: der arrogante Gedanke, dass wir fast zu den endgültigen Antworten auf unsere tiefsten Fragen gelangt sind. Wissenschaftler glaubten, dass Newtons Mechanik alles beschrieb, bis sie die Wellennatur des Lichts entdeckten. Die Physiker dachten, wir wären fast da, als Maxwell den Elektromagnetismus vereinte, und dann kamen Relativitätstheorie und Quantenmechanik hinzu. Und viele dachten, die Natur der Materie sei vollständig, als wir Protonen, Neutronen und Elektronen entdeckten, bis die hochenergetische Teilchenphysik ein ganzes Universum grundlegender Teilchen enthüllte. In den letzten 25 Jahren haben fünf unglaubliche Entdeckungen unser Verständnis des Universums verändert, und jede verspricht eine noch größere Revolution. Es gab nie einen besseren Zeitpunkt, um die tiefsten Geheimnisse der Existenz zu erforschen.

Mehrere Neutrinoereignisse, die aus separaten Neutrino-Detektoren rekonstruiert wurden (ähnlich wie Super-Kamiokande, hier gezeigt), zeigten das Auftreten einer Supernova an, bevor jemals ein optisches Signal auftrat. Bildnachweis: Super Kamiokande Zusammenarbeit / Tomasz Barszczak.

1.) Neutrino-Masse. Als wir anfingen, die Neutrinos zu berechnen, die von der Sonne kommen sollten, kamen wir zu einer Zahl, die auf der Fusion basiert, die im Inneren stattfinden muss. Als wir die von der Sonne kommenden Neutrinos gemessen haben, haben wir nur ein Drittel dessen gesehen, was wir erwartet hatten. Warum? Diese Antwort kam erst kürzlich heraus, als eine Kombination von Messungen von solaren und atmosphärischen Neutrinos ergab, dass sie aufgrund ihrer Masse von einem Typ in einen anderen schwingen können!

Was es für die Astrophysik bedeutet: Neutrinos sind die am häufigsten vorkommenden massiven Teilchen im Universum: ungefähr eine Milliarde Mal so zahlreich wie Elektronen. Wenn sie Masse haben, tun sie Folgendes:

  • machen einen Bruchteil der dunklen Materie aus,
  • zu späten Zeiten in galaktische Strukturen fallen,
  • möglicherweise einen seltsamen astrophysikalischen Zustand bilden, der als fermionisches Kondensat bekannt ist,
  • und kann eine Verbindung zu dunkler Energie haben.

Neutrinos können, wenn sie Masse haben, auch Majorana-Teilchen sein (anstelle der üblicheren Dirac-Teilchen), was eine neue Art des nuklearen Zerfalls ermöglichen kann. Sie können auch ultraschwere linkshändige Gegenstücke haben, die die dunkle Materie erklären könnten. Neutrinos sind auch dafür verantwortlich, einen großen Teil der Energie in Supernovae zu transportieren, dafür, wie Neutronensterne abkühlen, das übrig gebliebene Leuchten des Urknalls (CMB) beeinflussen und ein interessanter und potenziell wichtiger Teil der modernen Kosmologie und Astrophysik bleiben.

Die vier möglichen Schicksale des Universums, wobei das untere Beispiel am besten zu den Daten passt: ein Universum mit dunkler Energie. Bildnachweis: E. Siegel.

2.) Das sich beschleunigende Universum. Wenn Sie das Universum beim heißen Urknall beginnen, hat es zwei wichtige Eigenschaften: eine anfängliche Expansionsrate und eine anfängliche Materie / Strahlung / Energiedichte. Wenn die Dichte zu groß wäre, würde das Universum wieder zusammenbrechen; 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 eine winzige Menge dieser Energie kommt in Form von dunkler Energie, was bedeutet, dass unser Universum nach etwa 8 Milliarden Jahren zu beschleunigen beginnt und dies seitdem weiter tut .

Was es für die Astrophysik bedeutet: Zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit haben wir tatsächlich einen Einblick in das Schicksal des Universums. Alle Objekte, die nicht durch Gravitation miteinander verbunden sind, werden sich irgendwann voneinander beschleunigen, was bedeutet, dass sich alles außerhalb unserer lokalen Gruppe irgendwann beschleunigt. Aber was ist die Natur der dunklen Energie? Ist es wirklich eine kosmologische Konstante? Hängt es mit dem Quantenvakuum zusammen? Ist es ein Feld, dessen Stärke sich im Laufe der Zeit ändert? Bevorstehende Missionen wie Euklid der ESA, der WFIRST-Satellit der NASA und die neuen Teleskope der 30-Meter-Klasse, die online gehen, werden die Dunkle Energie besser messen und es uns ermöglichen, genau zu charakterisieren, wie sich das Universum beschleunigt. Wenn die Beschleunigung an Stärke zunimmt, endet das Universum schließlich in einem großen Riss. Wenn es abnimmt und sich umkehrt, können wir immer noch einen großen Crunch bekommen. Hier geht es um das Schicksal des Universums.

Dieses Bild von 2010 von drei der vier bekannten Exoplaneten, die HR 8799 umkreisen, ist das erste Mal, dass ein so kleines Teleskop - weniger als ein ausgewachsener Mensch - verwendet wurde, um einen Exoplaneten direkt abzubilden. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / Palomar Observatory.

3.) Exoplaneten. Vor einer Generation dachten wir, es gäbe wahrscheinlich Planeten um andere Sternensysteme, aber wir hatten keine Beweise, die diese Behauptung stützen könnten. Gegenwärtig haben wir vor allem dank der Kepler-Mission der NASA Tausende gefunden und verifiziert. Viele Sonnensysteme unterscheiden sich von unseren eigenen: Einige enthalten Supererden oder Mini-Neptune; Einige enthalten Gasriesen in den inneren Teilen der Sonnensysteme. Die meisten von ihnen enthalten erdgroße Welten in der richtigen Entfernung, um flüssiges Wasser um winzige, schwache rote Zwergsterne zu kreisen, nicht um Sterne wie unsere Sonne. Und doch gibt es noch so viel mehr zu entdecken.

Was es für die Astrophysik bedeutet: Zum ersten Mal haben wir Welten identifiziert, die potenzielle Kandidaten für bewohnte Planeten sind. Wir sind näher als je zuvor daran, Zeichen fremden Lebens im Universum zu finden. Und viele dieser Welten könnten eines Tages zu Häusern für menschliche Kolonien werden, wenn wir uns dazu entschließen, diesen Weg zu gehen. Im 21. Jahrhundert werden wir beginnen, diese Möglichkeiten zu erforschen: die Atmosphären dieser Welten zu messen und nach Lebenszeichen zu suchen, Raumsonden mit einem signifikanten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zu ihnen zu senden und sie durch ihre Ähnlichkeit mit zu charakterisieren Erde in Bezug auf Ozeane / Kontinente, Wolkendecke, Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre und wie viel ihr Land von Sommer bis Winter „grün“ ist. Wenn Sie neugierig auf die Wahrheit sind, die es im Universum gibt, gibt es nie einen besseren Zeitpunkt, um am Leben zu sein.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Di-Photon (γγ) -Kanal am CMS. Bildnachweis: CERN / CMS-Zusammenarbeit.

4.) Das Higgs-Boson. Die Entdeckung des Higgs-Partikels Anfang der 2010er Jahre vervollständigte schließlich das Standardmodell der Elementarteilchen. Das Higgs-Boson hat eine Masse von etwa 126 GeV / c2, zerfällt nach etwa 10 bis 24 Sekunden und hat alle Zerfälle, die das Standardmodell vorhersagt. Es gibt überhaupt keine Signaturen für neue Physik jenseits des Standardmodells im Verhalten dieses Teilchens, und das ist ein großes Problem.

Was es für die Astrophysik bedeutet: Warum ist die Higgs-Masse so viel geringer als die Planck-Masse? Diese Frage kann anders formuliert werden: Warum ist die Gravitationskraft so viel schwächer als alle anderen Kräfte? Es gibt viele mögliche Lösungen: Supersymmetrie, zusätzliche Dimensionen, fundamentale Anregungen (die konforme Lösung), das Higgs ist ein zusammengesetztes Teilchen (Technicolor) usw. Aber bisher haben alle diese Lösungen keine Beweise, die sie unterstützen, und Junge, haben wir sah!

Auf einer bestimmten Ebene muss es da draußen etwas grundlegend Neues geben: neue Teilchen, neue Felder, neue Kräfte usw. All dies wird naturgemäß astrophysikalische und kosmologische Konsequenzen haben, und diese Effekte sind alle modellabhängig. Wenn die Teilchenphysik zum Beispiel am LHC keine neuen Hinweise liefert, ist es möglich, dass die Astrophysik dies tut! Was passiert bei den höchsten Energien und auf den kürzesten Entfernungsskalen von allen? Der Urknall - und auch die kosmischen Strahlen - brachten uns höhere Energien als jeder vom Menschen hergestellte Beschleuniger jemals. Die nächsten Hinweise zur Lösung eines der größten Probleme der Physik könnten aus dem Weltraum kommen, nicht von der Erde.

Das Zusammenführen von Schwarzen Löchern ist eine Klasse von Objekten, die Gravitationswellen mit bestimmten Frequenzen und Amplituden erzeugt. Dank Detektoren wie LIGO können wir diese Geräusche

5.) Gravitationswellen. 101 Jahre lang war dies der heilige Gral der Astrophysik: Suche nach direkten Beweisen für Einsteins größte unbestätigte Vorhersage. Als Advanced LIGO 2015 online ging, erreichte es die erforderliche Empfindlichkeit, um die Wellen der Gravitationswellenquellen mit der kürzesten Frequenz und der höchsten Größe im Universum zu erkennen: das Inspirieren und Verschmelzen von Schwarzen Löchern. Mit zwei bestätigten Entdeckungen (und weiteren auf dem Weg) hat Advanced LIGO die Gravitationswellenastronomie von einer Möglichkeit zu einer echten Wissenschaft gemacht.

Was es für die Astrophysik bedeutet: Die gesamte Astronomie war bisher lichtbasiert, von Gammastrahlen über sichtbares Licht 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 betrachten. Mit den richtigen Detektoren mit den richtigen Empfindlichkeiten können wir sehen:

  • Fusionen von Neutronensternen (und erfahren, ob sie Gammastrahlenausbrüche erzeugen),
  • Inspirationen und Fusionen von weißen Zwergen (und um sie mit Supernovae vom Typ Ia zu korrelieren),
  • supermassereiche Schwarze Löcher, die andere Massen verschlingen,
  • Gravitationswellensignaturen von Supernovae,
  • Pulsarstörungen,
  • und möglicherweise die übrig gebliebene Gravitationswellensignatur von der Geburt des Universums.

Die Gravitationswellenastronomie steckt noch in den Kinderschuhen, ist aber gerade zu einem echten wissenschaftlichen Gebiet geworden. Die nächsten Schritte bestehen darin, die Empfindlichkeit und den Frequenzbereich zu erhöhen und das, was wir am Gravitationshimmel sehen, mit dem optischen Himmel zu korrelieren. Die Zukunft ist auf dem Weg.

Die Massenverteilung des durch Gravitationslinsen rekonstruierten Clusters Abell 370. zeigt zwei große, diffuse Massenhalos, die mit der dunklen Materie übereinstimmen, mit zwei verschmelzenden Clustern, um das zu erzeugen, was wir hier sehen. Bildnachweis: NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz), R. Massey (Durham University, Großbritannien), Hubble SM4 ERO Team und ST-ECF.

Das sind nicht einmal einige der anderen großen Rätsel, die es gibt. Es gibt dunkle Materie: Die Tatsache, dass über 80% der Masse im Universum sowohl für helle als auch für normale (atomare) Materie völlig unsichtbar sind. Es gibt das Problem der Baryogenese: Warum unser Universum mit Materie und nicht mit Antimaterie gefüllt ist, obwohl jede Reaktion, die wir jemals beobachtet haben, vollständig symmetrisch zwischen Materie und Antimaterie ist. Es gibt Paradoxien im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern; Es gibt Geheimnisse und Unbekannte rund um die kosmische Inflation. Wir haben noch keine erfolgreiche Quantentheorie der Schwerkraft konstruiert.

Wenn die Raumzeitkrümmung groß genug wird, werden auch die Quanteneffekte groß. groß genug, um unsere normalen Ansätze für physikalische Probleme ungültig zu machen. Bildnachweis: SLAC National Accelerator Laboratory.

Es besteht immer die Versuchung 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 unser Universum kommt, woraus es wirklich besteht, wie es entstanden ist, wohin es in ferner Zukunft geht, wie alles enden wird - haben wir noch viel zu tun . Mit beispiellosen Teleskopen in Größe, Reichweite und Empfindlichkeit, die online gehen sollen, sind wir bereit, mehr zu erfahren, als wir jemals zuvor gewusst haben. Es gibt nie eine Garantie für den Sieg, aber jeder Schritt, den wir unternehmen, bringt uns unserem Ziel einen Schritt näher. Egal wo sich das herausstellt, die Reise ist weiterhin atemberaubend.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive!