Durante siglos, hemos creído arrogantemente que hemos encontrado casi todas las respuestas a nuestras preguntas más profundas. Los científicos pensaban que la mecánica newtoniana lo describía todo hasta que descubrieron la naturaleza ondulatoria de la luz. Los físicos pensaron que cuando Maxwell unificó el electromagnetismo era la línea de meta, pero luego llegaron la relatividad y la mecánica cuántica. Muchos pensaron que la naturaleza de la materia estaba completamente clara cuando encontramos el protón, el neutrón y el electrón, pero luego tropezamos con partículas de alta energía. En solo 25 años, cinco increíbles descubrimientos han remodelado nuestra comprensión del universo, y cada uno promete una revolución épica. Vivimos una época increíble: tenemos la oportunidad de profundizar en los misterios de todas las cosas.
Masa de neutrinos
Cuando empezamos a contar en papel los neutrinos que vienen del Sol, obtuvimos un número basado en la fusión que debe estar ocurriendo en el interior. Pero cuando comenzamos a contar los neutrinos provenientes del Sol, vimos solo un tercio de lo esperado. ¿Por qué? La respuesta solo surgió recientemente cuando una combinación de mediciones de neutrinos solares y atmosféricos mostró que podían oscilar de un tipo a otro. Porque tienen masa.
norte
¿Qué significa esto para la astrofísica? Los neutrinos son las partículas masivas más abundantes del Universo: hay mil millones de veces más que los electrones. Si tienen masa, se deduce que:
- constituyen una fracción de la materia oscura, - caer en estructuras galácticas,
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- posiblemente formen un extraño estado astrofísico conocido como condensado de fermiones, - puede estar asociado con la energía oscura.
Si los neutrinos tienen masa, también podrían ser partículas de Majorana (en lugar de las partículas más comunes de tipo Dirac), lo que proporciona un nuevo tipo de desintegración nuclear. También pueden tener hermanos zurdos súper pesados que podrían explicar la materia oscura. Los neutrinos también transportan la mayor parte de la energía en las supernovas, son responsables de enfriar las estrellas de neutrones, afectan el resplandor del Big Bang (CMB) y son una parte esencial de la cosmología y la astrofísica modernas.
El Universo Acelerado
Si el Universo comienza con un Big Bang caliente, tendrá dos propiedades importantes: una tasa de expansión inicial y una densidad inicial de materia / radiación / energía. Si la densidad fuera demasiado grande, el universo volvería a reunirse; si fuera demasiado pequeño, el universo se expandiría para siempre. Pero en nuestro Universo, la densidad y la expansión no solo están perfectamente equilibradas, sino que una pequeña fracción de esta energía viene en forma de energía oscura, lo que significa que nuestro Universo comenzó a expandirse rápidamente después de 8 mil millones de años y ha continuado con el mismo espíritu desde entonces.
¿Qué significa esto para la astrofísica? Por primera vez en la historia de la humanidad, pudimos aprender un poco sobre el destino del universo. Todos los objetos que no están conectados gravitacionalmente entre sí eventualmente se dispersarán, lo que significa que todo lo que esté fuera de nuestro grupo local volará algún día. Pero, ¿cuál es la naturaleza de la energía oscura? ¿Es esto realmente una constante cosmológica? ¿Está relacionado con el vacío cuántico? ¿Podría ser un campo cuya fuerza cambia con el tiempo? Misiones futuras como Euclid de la ESA, WFIRST de la NASA y los nuevos telescopios de 30 metros permitirán mediciones más precisas de la energía oscura y nos permitirán caracterizar con precisión cómo se acelera el universo. Después de todo, si la aceleración aumenta, el Universo terminará en un Big Rip; si cae, con una gran compresión. Está en juego el destino de todo el universo.
Exoplanetas
Hace una generación, pensamos que había planetas cerca de otros sistemas estelares, pero no teníamos evidencia para apoyar esta tesis. Actualmente, gracias en gran parte a la misión Kepler de la NASA, hemos encontrado y probado miles de estos. Muchos sistemas solares son diferentes al nuestro: algunos contienen super-Tierras o mini-Neptunes; algunos contienen gigantes gaseosos en el interior de los sistemas solares; la mayoría contiene mundos del tamaño de la Tierra a la distancia justa de estrellas enanas rojas diminutas y tenues para que exista agua líquida en la superficie. Sin embargo, queda mucho por ver.
¿Qué significa esto para la astrofísica? Por primera vez en la historia, hemos descubierto mundos que podrían ser candidatos potenciales de por vida. Estamos más cerca que nunca de detectar signos de vida extraterrestre en el universo. Y muchos de estos mundos pueden ser algún día el hogar de colonias humanas si elegimos tomar este camino. En el siglo XXI, comenzaremos a explorar estas posibilidades: medir las atmósferas de estos mundos y buscar signos de vida, enviar sondas espaciales a una velocidad significativa, analizarlas en busca de similitudes con la Tierra en términos de características tales como océanos y continentes, cobertura de nubes, contenido de oxígeno en la atmósfera, tiempos. del año. Nunca en la historia del universo ha habido un momento más adecuado para esto.
bosón de Higgs
El descubrimiento de la partícula de Higgs a principios de la década de 2010 finalmente completó el Modelo Estándar de partículas elementales. El bosón de Higgs tiene una masa de alrededor de 126 GeV / s2, decae después de 10-24 segundos y decae exactamente como predice el Modelo Estándar. No hay señales de nueva física fuera del Modelo Estándar en el comportamiento de esta partícula, y ese es un gran problema.
¿Qué significa esto para la astrofísica? ¿Por qué la masa de Higgs es mucho menor que la masa de Planck? Esta pregunta se puede formular de diferentes maneras: ¿por qué la fuerza gravitacional es tan débil que las otras fuerzas? Hay muchas soluciones posibles: supersimetría, dimensiones extra, excitaciones fundamentales (solución conforme), Higgs como partícula constituyente (tecnicolor), etc. Pero hasta ahora estas soluciones no tienen pruebas, ¿y las hemos mirado con suficiente atención?
En algún nivel, debe haber algo fundamentalmente nuevo: nuevas partículas, nuevos campos, nuevas fuerzas, etc. Todos ellos por su naturaleza tendrán consecuencias astrofísicas y cosmológicas, y todos estos efectos dependen del modelo. Si la física de partículas, por ejemplo en el LHC, no proporciona nuevas pistas, tal vez la astrofísica sí lo haga. ¿Qué sucede a las energías más altas y a las distancias más cortas? El Big Bang, y los rayos cósmicos, nos trajeron las energías más altas que las que nuestro acelerador de partículas más poderoso podría tener. La siguiente clave para resolver uno de los mayores problemas de la física puede provenir del espacio, no de la Tierra.
Ondas gravitacionales
Durante 101 años, este ha sido el santo grial de la astrofísica: la búsqueda de evidencia directa de la mayor predicción no probada de Einstein. Cuando Advanced LIGO se puso en línea en 2015, pudo lograr la sensibilidad necesaria para detectar ondas en el espacio-tiempo desde la fuente de ondas gravitacionales de longitud de onda más corta del universo: los agujeros negros enroscados y fusionados. Con dos detecciones confirmadas en su haber (y cuántas más serán), Advanced LIGO ha llevado la astronomía de ondas gravitacionales de la fantasía a la realidad.
¿Qué significa esto para la astrofísica? Toda la astronomía hasta ahora ha dependido de la luz, desde los rayos gamma hasta el espectro visible, microondas y radiofrecuencias. Pero detectar ondas en el espacio-tiempo es una forma completamente nueva de estudiar los fenómenos astrofísicos en el universo. Con los detectores adecuados con la sensibilidad adecuada, podemos ver:
- fusionar estrellas de neutrones (y averiguar si crean explosiones de rayos gamma);
- la fusión de enanas blancas (y las asociamos supernovas de tipo Ia);
- agujeros negros supermasivos que devoran a otras masas;
- firmas de ondas gravitacionales de supernovas;
- firmas de púlsares;
- Posiblemente, firmas residuales de ondas gravitacionales del nacimiento del Universo.
Ahora la astronomía de ondas gravitacionales está en el comienzo mismo del desarrollo, y difícilmente se está convirtiendo en un campo probado. Los próximos pasos serán aumentar el rango de sensibilidad y frecuencias, así como la comparación de lo que se ve en el cielo gravitacional con el cielo óptico. El futuro se acerca.
Y no estamos hablando de otros grandes acertijos. Hay materia oscura: más del 80% de la masa del Universo es completamente invisible a la luz y a la materia ordinaria (atómica). Existe el problema de la bariogénesis: por qué nuestro universo está lleno de materia y no de antimateria, a pesar de que todas las reacciones que hemos observado son completamente simétricas en materia y antimateria. Hay paradojas de los agujeros negros, la inflación cósmica y aún no se ha creado una teoría cuántica de la gravedad exitosa.
Siempre existe la tentación de creer que nuestros mejores días han quedado atrás y que ya se han hecho los descubrimientos más importantes y revolucionarios. Pero si queremos comprender las preguntas más importantes de todas (de dónde vino el Universo, en qué consiste realmente, cómo apareció y hacia dónde va, cómo terminará), todavía tenemos mucho trabajo por hacer. Con telescopios sin precedentes en tamaño, alcance y sensibilidad, podemos aprender más de lo que nunca supimos. La victoria nunca está garantizada, pero cada paso que damos nos acerca un paso más a nuestro destino. No importa a dónde nos lleve este viaje, lo principal es que será increíble.
