Per secoli abbiamo creduto con arroganza di aver trovato quasi tutte le risposte alle nostre domande più profonde. Gli scienziati pensavano che la meccanica newtoniana descrivesse tutto finché non scoprirono la natura ondulatoria della luce. I fisici pensavano che quando Maxwell unificò l'elettromagnetismo fosse il traguardo, ma poi arrivarono la relatività e la meccanica quantistica. Molti pensavano che la natura della materia fosse completamente chiara quando abbiamo trovato il protone, il neutrone e l'elettrone, ma poi ci siamo imbattuti in particelle ad alta energia. In soli 25 anni, cinque incredibili scoperte hanno ridisegnato la nostra comprensione dell'universo e ognuna promette una rivoluzione epica. Viviamo in un momento fantastico: abbiamo l'opportunità di guardare nelle profondità dei misteri di tutte le cose.
Massa del neutrino
Quando abbiamo iniziato a contare sulla carta i neutrini che provengono dal Sole, abbiamo ottenuto un numero basato sulla fusione che deve avvenire all'interno. Ma quando abbiamo effettivamente iniziato a contare i neutrini provenienti dal Sole, abbiamo visto solo un terzo di ciò che ci si aspettava. Perché? La risposta è emersa solo di recente, quando una combinazione di misurazioni dei neutrini solari e atmosferici ha dimostrato che potevano oscillare da un tipo all'altro. Perché hanno massa.
Cosa significa questo per l'astrofisica. I neutrini sono le particelle massicce più abbondanti nell'Universo: ce ne sono un miliardo di volte di più degli elettroni. Se hanno massa, ne consegue che:
- costituiscono una frazione della materia oscura,
- cadere in strutture galattiche, Video promozionale:
- possibilmente formare uno strano stato astrofisico noto come condensato di fermione, - può essere associato all'energia oscura.
Se i neutrini hanno massa, potrebbero anche essere particelle di Majorana (piuttosto che le più comuni particelle di tipo Dirac), fornendo un nuovo tipo di decadimento nucleare. Possono anche avere fratelli mancini super pesanti che potrebbero spiegare la materia oscura. I neutrini trasportano anche la maggior parte dell'energia nelle supernove, sono responsabili del raffreddamento delle stelle di neutroni, influenzano il bagliore residuo del Big Bang (CMB) e sono una parte essenziale della moderna cosmologia e astrofisica.
L'universo in accelerazione
Se l'Universo inizia con un Big Bang caldo, avrà due proprietà importanti: un tasso di espansione iniziale e una densità iniziale di materia / radiazione / energia. Se la densità fosse troppo grande, l'universo sarebbe di nuovo riunito; se troppo piccolo, l'universo si espanderebbe per sempre. Ma nel nostro Universo, densità ed espansione non solo sono perfettamente bilanciate, ma una minuscola frazione di questa energia si presenta sotto forma di energia oscura, il che significa che il nostro Universo ha iniziato ad espandersi rapidamente dopo 8 miliardi di anni e da allora ha continuato nello stesso spirito.
Cosa significa questo per l'astrofisica. Per la prima volta nella storia dell'umanità, siamo stati in grado di imparare un po 'sul destino dell'universo. Tutti gli oggetti che non sono collegati tra loro gravitazionalmente alla fine si disperderanno, il che significa che un giorno tutto ciò al di fuori del nostro gruppo locale volerà via. Ma qual è la natura dell'energia oscura? È davvero una costante cosmologica? È correlato al vuoto quantistico? Potrebbe essere un campo la cui forza cambia nel tempo? Missioni future come Euclid dell'ESA, WFIRST della NASA e nuovi telescopi da 30 metri consentiranno misurazioni più accurate dell'energia oscura e ci consentiranno di caratterizzare con precisione come l'universo sta accelerando. Dopotutto, se l'accelerazione aumenta, l'Universo finirà in un grande strappo; se cade, con una grande compressione. È in gioco il destino dell'intero universo.
Pianeti extrasolari
Una generazione fa, pensavamo che esistessero pianeti vicino ad altri sistemi stellari, ma non avevamo prove a sostegno di questa tesi. Attualmente, grazie in gran parte alla missione Kepler della NASA, ne abbiamo trovati e testati migliaia. Molti sistemi solari sono diversi dai nostri: alcuni contengono super-Terre o mini-Nettuno; alcuni contengono giganti gassosi all'interno dei sistemi solari; la maggior parte contiene mondi delle dimensioni della Terra alla giusta distanza da minuscole stelle nane rosse perché l'acqua liquida possa esistere sulla superficie. Eppure resta ancora molto da vedere.
Cosa significa questo per l'astrofisica. Per la prima volta nella storia, abbiamo scoperto mondi che potrebbero essere potenziali candidati alla vita. Siamo più vicini che mai a rilevare segni di vita aliena nell'universo. E molti di questi mondi potrebbero un giorno ospitare colonie umane se scegliamo di intraprendere questa strada. Nel 21 ° secolo, inizieremo a esplorare queste possibilità: misurare le atmosfere di questi mondi e cercare segni di vita, inviare sonde spaziali a una velocità significativa, analizzarle per la somiglianza con la Terra in termini di caratteristiche come oceani e continenti, copertura nuvolosa, contenuto di ossigeno nell'atmosfera, tempi dell'anno. Mai nella storia dell'universo c'è stato un momento più adatto per questo.
bosone di Higgs
La scoperta della particella di Higgs all'inizio degli anni 2010 ha finalmente completato il modello standard delle particelle elementari. Il bosone di Higgs ha una massa di circa 126 GeV / s2, decade dopo 10-24 secondi e decade esattamente come previsto dal Modello Standard. Non c'è segno di nuova fisica al di fuori del Modello Standard nel comportamento di questa particella, e questo è un grosso problema.
Cosa significa questo per l'astrofisica. Perché la massa di Higgs è molto inferiore alla massa di Planck? Questa domanda può essere formulata in diversi modi: perché la forza gravitazionale è così più debole delle altre forze? Ci sono molte soluzioni possibili: supersimmetria, dimensioni extra, eccitazioni fondamentali (soluzione conforme), Higgs come particella costituente (technicolor), ecc. Ma finora queste soluzioni non hanno prove, e abbiamo esaminato abbastanza attentamente?
Ad un certo livello, deve esserci qualcosa di fondamentalmente nuovo: nuove particelle, nuovi campi, nuove forze, ecc. Tutti per loro natura avranno conseguenze astrofisiche e cosmologiche, e tutti questi effetti dipenderanno dal modello. Se la fisica delle particelle, ad esempio all'LHC, non fornisce nuovi indizi, forse l'astrofisica lo farà. Cosa succede alle energie più alte e alle distanze più brevi? Il Big Bang - e i raggi cosmici - ci hanno portato le energie più alte di quanto il nostro più potente acceleratore di particelle potesse mai avere. La prossima chiave per risolvere uno dei più grandi problemi della fisica potrebbe venire dallo spazio, non dalla Terra.
Onde gravitazionali
Per 101 anni, questo è stato il Sacro Graal dell'astrofisica: la ricerca di prove dirette della più grande previsione non dimostrata di Einstein. Quando Advanced LIGO è andato online nel 2015, è stato in grado di raggiungere la sensibilità necessaria per rilevare le increspature nello spaziotempo dalla sorgente di onde gravitazionali più breve dell'universo: avvolgimento e fusione di buchi neri. Con due rilevamenti confermati (e quanti altri), Advanced LIGO ha portato l'astronomia delle onde gravitazionali dalla fantasia alla realtà.
Cosa significa questo per l'astrofisica. Tutta l'astronomia fino ad ora è stata dipendente dalla luce, dai raggi gamma allo spettro visibile, dalle microonde e dalle frequenze radio. Ma rilevare le increspature nello spaziotempo è un modo completamente nuovo di studiare i fenomeni astrofisici nell'universo. Con i rilevatori giusti con la giusta sensibilità, possiamo vedere:
- fondere stelle di neutroni (e scoprire se creano lampi di raggi gamma);
- la fusione di nane bianche (e ad esse associamo supernove di tipo Ia);
- buchi neri supermassicci che divorano altre masse;
- firme delle onde gravitazionali delle supernove;
- firme di pulsar;
- tracce residue delle onde gravitazionali della nascita dell'Universo, possibilmente.
Ora l'astronomia delle onde gravitazionali è proprio all'inizio dello sviluppo e difficilmente sta diventando un campo collaudato. I prossimi passi saranno aumentare la gamma di sensibilità e frequenze, così come il confronto di ciò che si vede nel cielo gravitazionale con il cielo ottico. Il futuro sta arrivando.
E non stiamo parlando di altri grandi enigmi. C'è materia oscura: più dell'80% della massa dell'Universo è completamente invisibile alla luce e alla materia ordinaria (atomica). C'è il problema della bariogenesi: perché il nostro universo è pieno di materia e non di antimateria, anche se ogni reazione che abbiamo mai osservato è completamente simmetrica in materia e antimateria. Esistono paradossi di buchi neri, inflazione cosmica e una teoria quantistica di successo della gravità non è stata ancora creata.
C'è sempre la tentazione di credere che i nostri giorni migliori siano alle spalle e che le scoperte più importanti e rivoluzionarie siano già state fatte. Ma se vogliamo comprendere le domande più grandi di tutte - da dove viene l'universo, in cosa consiste effettivamente, come è apparso e dove sta andando, come andrà a finire - abbiamo ancora molto lavoro da fare. Con telescopi senza precedenti per dimensioni, portata e sensibilità, possiamo imparare più di quanto avessimo mai saputo. La vittoria non è mai garantita, ma ogni passo che facciamo ci avvicina di un passo alla nostra destinazione. Non importa dove ci porterà questo viaggio, l'importante è che sarà incredibile.
