Пять причин, почему 21 век станет расцветом астрофизики

22 Мая 2017 в 14:35, Илья Хель 13 397 просмотров 31

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.

Пять причин, почему 21 век станет расцветом астрофизики

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

31 комментарий

  1. BEBEL

    Круто - круто, но еще хотелось бы чего-то такого-эдакого ...!

    • UFOlats

      Интересно. Если изначально Вселенная имела практически бесконечную плотность и практически нулевой размер (сингулярность) и всё же она умудрилась выйти из этого состояния ( флуктуация вакуума, БВ, инфляция), то я не вижу причин почему это также не может произойти с Чёрными Дырами! Модели-то близкие. Отсюда вывод: черные дыры могут также породить Большие Взрывы. ЧД могут быть зародышами будущих вселенных?

  2. matva

    Интересно, интересно... нейтрино имеет массу, но прошивает всю Землю насквозь.... а фотон не имея массы но имея самую большую скорость ничего "прошить" не в состоянии... опять же нейтрино не может (или не хочет?)) ) воздействовать на материю (хотя ж имеет массу!), а фотон может... (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • bla-3

      Мне более интересно, как нейтрино, обладая массой, движется со световой скоростью. На это же надо бесконечную энергию. Либо все-таки с околосветовой? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

      • Aldo

        околосветовая у них, но так как их масса чрезвычайно мала, то и разница от световой скорости такая же малая. для детекторов скорость световая, потому что они не улавливают настолько малую разницу.

    • deaddreams

      Масса нейтрино крайне мала, заряд нулевой, как следствие очень малая вероятность провзаимодействовать с другой материей. Фотон же, сам является переносчиком ЭМ взаимодействия. Из за этого он не способен "прошить" Землю, у него есть дела поважнее, он разносит почту других частиц :D

  3. vyshny

    надеюсь 21 веке расцветет не только астрофизика. и причин для этого,гораздо,больше.

  4. cats.can.fly

    Как же я жду ввода в эксплуатацию Вебба. Только бы но нормально взлетел\долетел\начал работать.
    Вот это будет реально круто, просто невероятно круто, супер эпически круто)))

  5. Aldo

    Я уже думал похвалить Хеля и ресурс в целом, а потом ради любопытства вбил в гугл название статьи на англицком и оказывается статью нагло скомуниздили отсюда "https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/05/10/5-reasons-why-the-21st-century-will-be-the-best-one-ever-for-astrophysics/#77b272d62a4f")) за перевод спасибо конечно, но вот вам ребятки ссылочка "https://www.forbes.com/terms" на то как можно использовать работы Форбс. будьте добры указывать источник, ибо, во первых, хочется знать авторов статей "в лицо", а во вторых это просто неуважительно к чужой работе, вы на этом годном контенте деньги зарабатываете, а перевести с английского на русский может любой дурак. так что либо вы указываете источник, либо это статья летит прямо на мыло администрации форбс.

    • Strim

      Хм. Ну, во-первых, указывать источник - дело хорошее и правильное, тут я не спорю. Почему бы и не указать, в самом деле. А во-вторых - тут процентов девяносто статей это переводы, а если брать научно-популярные, то приближается к ста, такова специфика ресурса. Если вас это как-то коробит (сужу по фразе "любой дурак сможет"), то вам не сюда. И угрозы ваши выглядят глупо, и даже не потому, что вы здесь не правы - в целом, все законно, раз права нарушаются, можно и рапортнуть - а потому, что это, к добру или худу, в России нифига не работает. Это на ютубе можно кого-то гарантированно заблочить, там процедура очень простая, для самостоятельного сайта оно все просто не стоит мороки. И Форбс будет так же пофиг на ваш запрос. Так что потребовать указать источник вы, конечно, можете, и репортом пригрозить можете, но поверьте, просто вежливая просьба была бы куда эффективнее.

      • Strim

        Триггернулся на слово "скоммуниздтди". Ну серьезно, перевод - не кража, в крайнем случае, кхм, благородное пиратство, если уж правообладатель запрещает использование своих материалов для перевода. К нему по-разному можно относиться, но все же это не тоже самое, что просто взять чужую статью без каких либо изменений. Источник по возможности стоило бы указывать, но если это может потенциально привести к неприятной переписке с правообладателем, то, в целом, я могу понять, почему этого избегают. Хотя вот указание авторства особых проблем вызывать не должно, и это не кажется таким уж сложным. Но лично я подобное воспринимаю скорее как правило хорошего тона, чем необходимость, тем более, что обязать к этому на данный момент все равно невозможно.

        • Aldo

          Я уже много раз просил "вежливо" указывать источник. "Благородное пиратство... Если это может привести к неприятной переписке" – все это так "по-русски". Никакого уважения к чужому труду. Вы должны понять, что это авторская работа, человек трудился, думал, консультировался, собирал материал, делал выводы, синтезировал информацию и т.д. А теперь какой-то русский чувак переводит его статью и выкладывает без какого-либо указания источника, называя себя вверху статьи "автором". Какого черта? Что им мешает указать источник? Как пострадает их сайт от этого? Почему читатель не должен знать автора оригинальной статьи? Меня раздражает это. Мне всё равно будет Форбс этим заниматься или нет, но статью я им вышлю. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

          • vyshny

            вы правы,но денег вам не дадут.

          • Strim

            Ваше право, хотя стоило бы подождать реакции администрации, ну, скажем, в пределах суток - я-то обычный пользователь, мало ли, что я там думаю. Или уж сразу тогда отправляли бы, без предупреждения.

            Касательно указания авторства - мне кажется, никакой попытки выдать себя за автора тут не было, для постоянных пользователей ресурса достаточно очевидно, что имелось в виду авторство перевода. Для новоприбывших уже менее очевидно, и, скажем, при использовании этой статьи где-то еще, если таковое случится, Хеля вполне могут указать как автора. Но все же это случай скорее гипотетический, ресурс не настолько известен (наверное?), чтобы статьи таскали уже с него. Так что, как минимум, намереной попытки ввести в заблуждение я тут не вижу. Уважение к труду авторов? Ну да, пожалуй, хотя вряд ли они об этом когда-нибудь вообще узнают. Форбс узнать может, но на него как-то пофиг, если честно. Об упущенной выгоде если и можно говорить, то опять же, только в отношении журнала (купив статьи у авторов, правообладателем выступает уже он) и только ну очень гипотетической, и даже если она реализуется (допустим, не будь этой статьи, все здесь присутствующие дружно бы пошли читать Форбс) это будет не то, что дробина слону, а так, пушинка. Так что из реальных последствий в данном случае остается только то, что пользователям, желающим ознакомиться с другими статьями этих авторов, или выбирающих исходя из авторства, что им читать, будет сложнее это сделать. И перевод не проверить, лишний раз не погуглив. Все. Право, не стоит это таких возмущений.
            Про пиратство разговор отдельный, это штука довольно неоднозначная. Есть сетевые журналы, закрывшиеся из-за пиратства, хотя и так копейки стоили, и распространялись очень легко, простой рассылкой на мыло. С другой стороны, соблюдай все строго права правообладателей, мы бы огромного количества контента лишились - с некоторыми компаниями, например, просто нельзя договориться, потому что они не заинтересованны в этом рынке сбыта и своем здесь присутствии. В общем, это отдельная тема, тут её обсуждать смысла не вижу - по крайней мере, не с моим участием. Слишком она обширна.

            • Aldo

              Какие люди, такая логика, выводы и поступки. Дело вообще не убытках Форбс. И говорить "вряд ли когда-нибудь об этом узнают" неправильно. У вас, как и у данного ресурса, нет здравого понимания вопроса. Данный случай прекрасно показывает, почему Россия и всё постсоветские республики обречены )) вы только вдумайтесь – вы абсолютно не уважаете чужой труд, оригинальность и авторство. Вам же плевать, вы суете аргументы о выгоде и отсутствии очевидного вреда) Всё это воспитание и менталитет. Даже мыслей нет о том, что хорошие чужие начинания надо поддерживать и отдавать что-то взамен. Вам если ничего за это не будет – так вы всё разворуете. Для вас безнаказанность оправдывает любые поступки. Рабская логика, уж простите. Умом Россию не понять, потому что она дикая :) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

              • Strim

                Я перешел от общей проблеме к частному случаю, вы же опять обобщаете, переходя уже куда-то в политику (да еще и нескольких стран сразу). Поскольку тут нет пострадавшей стороны, я не вижу и смысла браться за вилы - притом, что практику в целом не одобряю, и если бы уже этот перевод утянули на другой русскоязычный ресурс и опубликовали под своим именем, назвал бы подобное чистой воды воровством. Пожалуй, в какой-то степени слицемерил бы, потому что де-юре воровством будет и то, и то, но де-факто это совершенно разные по степени вредоносности и того самого "неуважения к труду" действия. В общем, в этом и есть моя позиция - мне кажется, такие ситуации надо оценивать исходя из контекста, а не слепо идти на принцип. Копирастия может быть не меньшим злом, чем пиратство, если возводить её в абсолют.
                Вот не хотел эту тему затрагивать, а все равно к ней скатываюсь. Ладно, будем считать, что последнее ну ооочень спорно, и вообще не факт, а по данному конкретному случаю я мнение уже высказал.

                • Aldo

                  Пустая болтовня. Нужно указывать источник, если это не твоя работа и что ты перевел, а не написали точка. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                  • Strike529

                    Почему именно к этой статье прицепились, а не к тысячам других? Или вы наверно всегда музыку, игры,фильмы покупаете? Нет? А как же авторство? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                    • Aldo

                      Вай, какие вы все защитники этого бессмысленного неуважения к интеллектуальной собственности... Дам вам пример: одно дело – выложить что-то на трекер, чтобы народ качал и радовался. И совсем другое, к примеру, перевести с английского какой-то бестселлер и продавать его под своим именем. Хай-Ньюз получает деньги за эти статьи и фактом отсутствия ссылки на источник переводчики присваивают себе авторство, разве нет? Ты можешь делать работу переводчика, но основное – это контент. Именно содержание заставляет пользователей делиться ссылками и чаще заходить на сайт в поисках интересностей, на чем собственно сайт и зарабатывает. Мне не жалко, но ёлы-палы, в чём проблема указать источник, я не понимаю? Почему вы все так яро со мной спорите по поводу этой моей вполне обоснованной претензии? Что сайт потеряет, указав источник? Какая логика в том, чтобы его скрывать? Неужели так трудно понять и почувствовать хоть какую-то солидарность к чужой работе и к самому факту аналитической деятельности? Я хочу знать кто написал статью, это нормальное желание, какой нормальный переводчик будет скрывать имя автора, зарабатывая на переводе при этом. И вы все тут их защищаете. Глупость полнейшая с вашей стороны. Тем более местные переводчики часто либо копипастят откуда-то переводы уже с ошибками либо сами их допускают. Я не отослал ещё письмо никуда и это далеко не первый раз когда я прошу местных "авторов" указать источник и угрожаю отсылать ссылки. Думал, может ребята задумаются, мне не хочется никому устраивать проблем, тем более что как-то мы тут скопом в комментариях наехали на кого-то и впоследствии Хель стал указывать ссылку на сайт. Это быстро закончилось. Так что думаю, отправлю пару писем всё-таки, раз по человечески никто делать ничего не хочет. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  6. Kok

    Согласен, все открытия впереди, мы ещё в самом начале (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  7. adilbek

    Хорошая статья! (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  8. Raid Ashihi

    Пока читал комментарии всю статью забыл и зачем они нужны эти коментарии

  9. Raid Ashihi

    Реальный облом

  10. Plutarh

    Спасибо вам хай ньюс! (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  11. Anatol 193938

    Почти всё здесь мифы, за исключением информации об экзопланетах, которые обнаруживают в реальных наблюдениях.

  12. Zondish

    Вот это в точку ... (отправлено из приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.