Các ngôi sao trong và ngoài Trụ cột Sáng tạo được tiết lộ trong vùng hồng ngoại. Trong khi Hubble mở rộng tầm nhìn ra tới 1,6 micron, hơn gấp đôi giới hạn của ánh sáng khả kiến, James Webb sẽ đi ra ngoài tới 30 micron: gần gấp 20 lần nữa. Tín dụng hình ảnh: NASA, ESA và Nhóm Di sản Hubble (STScI).

5 lý do tại sao thế kỷ 21 sẽ là lý do tốt nhất từng có cho vật lý thiên văn

Thế kỷ 20 đã tổ chức một số tiến bộ đáng kinh ngạc trên tất cả các khoa học. Nhưng những ngày tốt nhất của vật lý thiên văn vẫn chưa đến.

Khi chúng ta tìm thấy hạt nhân của các nguyên tử được xây dựng như thế nào, chúng ta sẽ tìm thấy bí mật lớn nhất của tất cả - ngoại trừ sự sống. -Ernest Rutherford

Đó là một yếu tố chính của khoa học trong suốt nhiều thế kỷ: suy nghĩ kiêu ngạo mà chúng ta gần như đã đi đến câu trả lời cuối cùng cho những câu hỏi sâu sắc nhất của chúng ta. Các nhà khoa học nghĩ rằng cơ học của Newton đã mô tả mọi thứ, cho đến khi họ phát hiện ra bản chất sóng của ánh sáng. Các nhà vật lý nghĩ rằng chúng ta đã ở gần đó khi Maxwell thống nhất điện từ, và sau đó thuyết tương đối và cơ học lượng tử xuất hiện. Và nhiều người nghĩ rằng bản chất của vật chất đã hoàn tất khi chúng ta phát hiện ra proton, neutron và electron, cho đến khi vật lý hạt năng lượng cao tiết lộ toàn bộ Vũ trụ của các hạt cơ bản. Chỉ trong 25 năm qua, năm khám phá đáng kinh ngạc đã thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ và mỗi người đều giữ lời hứa về một cuộc cách mạng thậm chí còn lớn hơn. Chưa bao giờ có thời gian tốt hơn để nhìn vào những bí ẩn sâu sắc nhất của sự tồn tại.

Nhiều sự kiện neutrino, được tái tạo từ các máy dò neutrino riêng biệt (gần giống với Super-Kamiokande, được hiển thị ở đây), cho thấy sự xuất hiện của siêu tân tinh trước khi xảy ra bất kỳ tín hiệu quang học nào. Tín dụng hình ảnh: Sự hợp tác của Super Kamiokande / Tomasz Barszczak.

1.) Khối lượng neutrino. Khi chúng tôi bắt đầu tính toán neutrino sẽ đến từ Mặt trời, chúng tôi đã đến một con số dựa trên phản ứng tổng hợp phải xảy ra bên trong. Khi chúng tôi đo neutrino đến từ Mặt trời, chúng tôi chỉ thấy một phần ba những gì chúng tôi mong đợi. Tại sao? Câu trả lời đó chỉ xuất hiện gần đây, trong đó sự kết hợp các phép đo của neutrino mặt trời và khí quyển cho thấy chúng có thể dao động từ loại này sang loại khác, do thực tế là chúng có khối lượng!

Ý nghĩa của nó đối với vật lý thiên văn: neutrino là những hạt lớn nhất trong vũ trụ: gấp khoảng một tỷ lần so với các điện tử. Nếu chúng có khối lượng, chúng làm như sau:

  • chiếm một phần nhỏ của vật chất tối
  • rơi vào cấu trúc thiên hà vào thời điểm muộn,
  • có thể hình thành một trạng thái vật lý thiên văn kỳ lạ được gọi là ngưng tụ fermionic,
  • và có thể có một kết nối với năng lượng tối.

Neutrino, nếu chúng có khối lượng, cũng có thể là các hạt Majorana (chứ không phải là các hạt loại Dirac phổ biến hơn), có thể tạo ra một loại phân rã hạt nhân mới. Họ cũng có thể có những đối tác cực kỳ nặng tay trái có thể giải thích vật chất tối. Neutrino cũng chịu trách nhiệm mang theo một phần lớn năng lượng trong siêu tân tinh, chịu trách nhiệm về việc sao neutron nguội đi, ảnh hưởng đến ánh sáng còn sót lại của Big Bang (CMB), và sẽ vẫn là một phần thú vị và có khả năng quan trọng của vũ trụ học và vật lý thiên văn hiện đại.

Bốn số phận có thể có của Vũ trụ, với ví dụ dưới cùng phù hợp với dữ liệu nhất: Vũ trụ có năng lượng tối. Tín dụng hình ảnh: E. Siegel.

2.) Vũ trụ tăng tốc. Nếu bạn bắt đầu Vũ trụ tại Big Bang nóng bỏng, nó có hai thuộc tính quan trọng: tốc độ mở rộng ban đầu và mật độ vật chất / bức xạ / năng lượng ban đầu. Nếu mật độ quá lớn, Vũ trụ sẽ tái diễn; nếu nó quá nhỏ, Vũ trụ sẽ mở rộng mãi mãi. Nhưng trong Vũ trụ của chúng ta, mật độ và sự giãn nở không chỉ cân bằng hoàn hảo, mà một lượng nhỏ năng lượng đó đến dưới dạng năng lượng tối, có nghĩa là Vũ trụ của chúng ta bắt đầu tăng tốc sau khoảng 8 tỷ năm, và vẫn tiếp tục như vậy kể từ đó .

Ý nghĩa của vật lý thiên văn: Lần đầu tiên trong lịch sử loài người, chúng ta thực sự có một số hiểu biết về số phận của Vũ trụ. Tất cả các vật thể không bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn với nhau cuối cùng sẽ tăng tốc ra khỏi nhau, có nghĩa là mọi thứ nằm ngoài nhóm địa phương của chúng ta cuối cùng sẽ tăng tốc. Nhưng bản chất của năng lượng tối là gì? Nó thực sự là một hằng số vũ trụ? Có liên quan đến chân không lượng tử? Đó có phải là một lĩnh vực có sức mạnh thay đổi theo thời gian? Các nhiệm vụ sắp tới, như Euclid của ESA, vệ tinh WFIRST của NASA và các kính viễn vọng 30 mét mới sắp xuất hiện sẽ đo năng lượng tối tốt hơn và cho phép chúng ta mô tả chính xác cách Vũ trụ đang tăng tốc. Rốt cuộc, nếu gia tốc tăng sức mạnh, Vũ trụ sẽ kết thúc trong một Big Rip; nếu nó giảm và đảo ngược, chúng ta vẫn có thể có được Big Crunch. Số phận của vũ trụ đang bị đe dọa ở đây.

Bức ảnh năm 2010 này về ba trong số bốn ngoại hành tinh được biết đến quay quanh HR 8799 đại diện cho lần đầu tiên một chiếc kính thiên văn nhỏ bé này - ít hơn một con người trưởng thành - được sử dụng để chụp ảnh trực tiếp một ngoại hành tinh. Tín dụng hình ảnh: Đài thiên văn NASA / JPL-Caltech / Palomar.

3.) Ngoại hành tinh. Một thế hệ trước, chúng tôi nghĩ rằng có khả năng các hành tinh xung quanh các hệ sao khác, nhưng không có bằng chứng để hỗ trợ cho tuyên bố đó. Hiện tại, phần lớn nhờ vào sứ mệnh Kepler của NASA, chúng tôi đã tìm thấy và xác minh hàng ngàn người. Nhiều hệ mặt trời khác với chúng ta: một số chứa siêu Trái đất hoặc Hải vương nhỏ; một số chứa những người khổng lồ khí trong các phần bên trong của hệ mặt trời; hầu hết những thế giới chứa các thế giới có kích thước Trái đất ở khoảng cách phù hợp cho quỹ đạo nước lỏng xung quanh các ngôi sao lùn nhỏ, mờ, đỏ, chứ không phải các ngôi sao như Mặt trời của chúng ta. Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều điều để khám phá.

Ý nghĩa của vật lý thiên văn: Lần đầu tiên, chúng ta đã xác định được những thế giới là ứng cử viên tiềm năng cho các hành tinh có người ở. Chúng ta gần gũi hơn bao giờ hết để tìm thấy dấu hiệu của sự sống ngoài hành tinh trong Vũ trụ. Và nhiều thế giới trong một ngày nào đó có thể trở thành ngôi nhà cho các thuộc địa của con người, nếu chúng ta chọn đi theo con đường đó. Thế kỷ 21 sẽ chứng kiến ​​chúng ta bắt đầu khám phá những khả năng này: đo lường bầu khí quyển của những thế giới này và tìm kiếm dấu hiệu của sự sống, gửi các tàu thăm dò không gian đến chúng với một phần đáng kể tốc độ ánh sáng và mô tả chúng bằng sự tương đồng của chúng với Trái đất về các đại dương / lục địa, mây che phủ, hàm lượng oxy trong khí quyển và bao nhiêu vùng đất của họ có màu xanh lá cây từ mùa hè đến mùa đông. Nếu bạn tò mò về sự thật ngoài vũ trụ, sẽ không bao giờ có thời gian tốt hơn để sống.

Việc phát hiện ra Higgs Boson trong kênh di-photon (γγ) tại CMS. Tín dụng hình ảnh: Hợp tác Cern / CMS.

4.) Higgs Boson. Việc phát hiện ra hạt Higgs vào đầu những năm 2010 đã hoàn thành, cuối cùng, Mô hình chuẩn của các hạt cơ bản. Boson Higgs có khối lượng khoảng 126 GeV / c2, phân rã sau khoảng 10 Tim24 giây và có tất cả các phân rã mà Mô hình Chuẩn dự đoán. Không có chữ ký nào của vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn trong hành vi của hạt này và đó là một vấn đề lớn.

Ý nghĩa của vật lý thiên văn: Tại sao khối lượng Higgs lại ít hơn khối lượng Planck? Đó là một câu hỏi có thể được đặt ra một cách khác nhau: tại sao lực hấp dẫn lại yếu hơn tất cả các lực khác? Có nhiều giải pháp khả thi: siêu đối xứng, kích thước phụ, kích thích cơ bản (giải pháp phù hợp), hạt Higgs là một hạt tổng hợp (technolor), v.v. Nhưng cho đến nay, tất cả các giải pháp này đều không có bằng chứng hỗ trợ chúng, và cậu bé, có chúng ta nhìn kìa

Ở một mức độ nào đó, phải có một cái gì đó mới về cơ bản: các hạt mới, trường mới, lực mới, v.v ... Tất cả những ý chí này, về bản chất, đều có hậu quả vật lý và vũ trụ, và những hiệu ứng đó đều phụ thuộc vào mô hình. Nếu vật lý hạt, ví dụ, tại LHC, không mang lại bất kỳ manh mối mới nào, thì có khả năng vật lý thiên văn sẽ! Điều gì diễn ra ở năng lượng cao nhất và trên thang đo khoảng cách ngắn nhất trong tất cả? Vụ nổ lớn - và cũng là tia vũ trụ - mang lại cho chúng ta năng lượng cao hơn bất kỳ máy gia tốc nào do con người tạo ra. Manh mối tiếp theo để giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất trong vật lý có thể đến từ không gian, không phải từ Trái đất.

Hợp nhất các lỗ đen là một loại vật thể tạo ra sóng hấp dẫn có tần số và biên độ nhất định. Nhờ các máy dò như LIGO, chúng ta có thể 'nghe' được những âm thanh này khi chúng xảy ra. Tín dụng hình ảnh: LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU).

5.) Sóng hấp dẫn. Trong 101 năm, đây là chén thánh của vật lý thiên văn: tìm kiếm bằng chứng trực tiếp về dự đoán chưa được xác minh lớn nhất của Einstein. Khi Advanced LIGO xuất hiện vào năm 2015, nó đã đạt được độ nhạy cần thiết để phát hiện các gợn sóng từ các nguồn sóng hấp dẫn có tần số ngắn nhất, cường độ cao nhất trong Vũ trụ: truyền cảm hứng và hợp nhất các lỗ đen. Với hai phát hiện được xác nhận dưới vành đai của nó (và nhiều hơn nữa trên đường đi), Advanced LIGO đã chuyển thiên văn học sóng hấp dẫn từ một khả năng thành một khoa học thực sự.

Ý nghĩa của vật lý thiên văn: Tất cả các thiên văn học, cho đến nay, đều dựa trên ánh sáng, từ tia gamma đến ánh sáng khả kiến ​​cho đến tần số vi sóng và sóng vô tuyến. Nhưng phát hiện các gợn sóng trong không thời gian là một cách hoàn toàn mới để xem các hiện tượng vật lý thiên văn trong Vũ trụ. Với các máy dò đúng ở độ nhạy phù hợp, chúng ta sẽ có thể thấy:

  • sáp nhập sao neutron (và tìm hiểu xem chúng có tạo ra vụ nổ tia gamma hay không),
  • nguồn cảm hứng và sự hợp nhất của sao lùn trắng (và để tương quan chúng với siêu tân tinh loại Ia),
  • lỗ đen khổng lồ nuốt chửng quần chúng khác,
  • chữ ký sóng hấp dẫn của siêu tân tinh,
  • trục trặc xung,
  • và, có khả năng, chữ ký sóng hấp dẫn còn sót lại từ sự ra đời của Vũ trụ.

Thiên văn học sóng hấp dẫn đang ở giai đoạn sơ khai, nhưng vừa trở thành một lĩnh vực khoa học thực sự. Các bước tiếp theo là tăng độ nhạy và dải tần số, và bắt đầu tương quan với những gì chúng ta thấy trên bầu trời hấp dẫn với bầu trời quang học. Tương lai đang trên đường đến.

Sự phân bố khối lượng của cụm Abell 370. được tái cấu trúc thông qua thấu kính hấp dẫn, cho thấy hai khối lượng lớn, khuếch tán, phù hợp với vật chất tối với hai cụm hợp nhất để tạo ra những gì chúng ta thấy ở đây. Tín dụng hình ảnh: NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Thụy Sĩ), R. Massey (Đại học Durham, Vương quốc Anh), Nhóm ERO Hubble SM4 và ST-ECF.

Điều đó thậm chí còn không đếm được một số câu đố tuyệt vời khác ngoài kia. Có vật chất tối: thực tế là hơn 80% khối lượng trong Vũ trụ hoàn toàn vô hình đối với cả vật chất nhẹ và nguyên tử (nguyên tử). Có vấn đề về sinh tổng hợp: tại sao Vũ trụ của chúng ta chứa đầy vật chất và không phản vật chất, mặc dù mọi phản ứng chúng ta từng quan sát là hoàn toàn đối xứng giữa vật chất và phản vật chất. Có những nghịch lý liên quan đến lỗ đen; có những bí ẩn và ẩn số xung quanh lạm phát vũ trụ; chúng ta vẫn chưa xây dựng một lý thuyết lượng tử thành công về trọng lực.

Khi độ cong không thời gian trở nên đủ lớn, hiệu ứng lượng tử cũng trở nên lớn; đủ lớn để vô hiệu hóa các cách tiếp cận thông thường của chúng tôi đối với các vấn đề vật lý. Tín dụng hình ảnh: Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC.

Luôn có một sự cám dỗ để nghĩ rằng những ngày tốt nhất của chúng ta ở phía sau chúng ta, và những khám phá quan trọng nhất và mang tính cách mạng đã được thực hiện. Nhưng nếu chúng ta muốn hiểu những câu hỏi lớn nhất - Vũ trụ của chúng ta đến từ đâu, nó thực sự được tạo ra như thế nào, nó sẽ đi đến đâu trong tương lai xa, tất cả sẽ kết thúc như thế nào - chúng ta vẫn còn phải làm . Với các kính viễn vọng chưa từng có về kích thước, phạm vi và độ nhạy được thiết lập trực tuyến, chúng tôi sẵn sàng tìm hiểu thêm về những gì chúng ta từng biết trước đây. Không bao giờ có gì đảm bảo chiến thắng, nhưng mỗi bước chúng ta thực hiện sẽ đưa chúng ta đến một bước gần hơn với đích đến của mình. Bất kể nơi đó hóa ra là gì, cuộc hành trình vẫn tiếp tục ngoạn mục.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive!