Por séculos, acreditamos arrogantemente que encontramos quase todas as respostas para nossas perguntas mais profundas. Os cientistas pensavam que a mecânica newtoniana descrevia tudo até que descobriram a natureza ondulatória da luz. Os físicos pensaram que quando Maxwell unificou o eletromagnetismo, isso foi a linha de chegada, mas então a relatividade e a mecânica quântica vieram. Muitos pensaram que a natureza da matéria era completamente clara quando encontramos o próton, o nêutron e o elétron, mas então nos deparamos com partículas de alta energia. Em apenas 25 anos, cinco descobertas incríveis remodelaram nossa compreensão do universo, e cada uma promete uma revolução épica. Vivemos em uma época incrível: temos a oportunidade de olhar nas profundezas dos mistérios de todas as coisas.
Massa de neutrino
Quando começamos a contar no papel os neutrinos que vêm do Sol, obtivemos um número baseado na fusão que deve estar ocorrendo por dentro. Mas quando realmente começamos a contar os neutrinos vindos do Sol, vimos apenas um terço do que era esperado. Por quê? A resposta só surgiu recentemente, quando uma combinação de medições de neutrinos solares e atmosféricos mostrou que eles podiam oscilar de um tipo para outro. Porque eles têm massa.
O que isso significa para a astrofísica. Neutrinos são as partículas massivas mais abundantes no Universo: há um bilhão de vezes mais do que elétrons. Se eles têm massa, segue-se que:
- eles constituem uma fração da matéria escura, - cair em estruturas galácticas, Vídeo promocional:
- possivelmente formar um estado astrofísico estranho conhecido como condensado de férmion,
- pode estar associado à energia escura.
Se os neutrinos têm massa, eles também podem ser partículas de Majorana (em vez das partículas mais comuns do tipo Dirac), fornecendo um novo tipo de decaimento nuclear. Eles também podem ter irmãos canhotos superpesados que poderiam explicar a matéria escura. Os neutrinos também carregam a maior parte da energia das supernovas, são responsáveis pelo resfriamento das estrelas de nêutrons, afetam o brilho posterior do Big Bang (CMB) e são uma parte essencial da cosmologia e da astrofísica modernas.
O Universo em Aceleração
Se o Universo começar com um Big Bang quente, ele terá duas propriedades importantes: uma taxa de expansão inicial e uma densidade inicial de matéria / radiação / energia. Se a densidade fosse muito grande, o universo seria reunido novamente; se muito pequeno, o universo se expandirá para sempre. Mas em nosso Universo, densidade e expansão não estão apenas perfeitamente equilibradas, mas uma pequena fração dessa energia vem na forma de energia escura, o que significa que nosso Universo começou a se expandir rapidamente após 8 bilhões de anos e continuou com o mesmo espírito desde então.
O que isso significa para a astrofísica. Pela primeira vez na história da humanidade, pudemos aprender um pouco sobre o destino do universo. Todos os objetos que não estão gravitacionalmente conectados uns aos outros irão eventualmente se espalhar, o que significa que tudo fora do nosso grupo local irá um dia voar para longe. Mas qual é a natureza da energia escura? Esta é realmente uma constante cosmológica? Está relacionado ao vácuo quântico? Poderia ser um campo cuja força muda com o tempo? Missões futuras como o Euclid da ESA, o WFIRST da NASA e os novos telescópios de 30 metros permitirão medições mais precisas da energia escura e nos permitirão caracterizar com precisão como o universo está acelerando. Afinal, se a aceleração aumentar, o Universo terminará em um Big Rip; se cair, com uma Grande Compressão. O destino de todo o universo está em jogo.
Exoplanetas
Uma geração atrás, pensávamos que havia planetas perto de outros sistemas estelares, mas não tínhamos evidências para apoiar esta tese. Atualmente, graças em grande parte à missão Kepler da NASA, encontramos e testamos milhares deles. Muitos sistemas solares são diferentes do nosso: alguns contêm super-Terras ou mini-Neptunes; alguns contêm gigantes gasosos no interior de sistemas solares; a maioria contém mundos do tamanho da Terra, à distância certa de pequenas estrelas anãs vermelhas para a existência de água líquida na superfície. No entanto, ainda há muito a ser visto.
O que isso significa para a astrofísica. Pela primeira vez na história, descobrimos mundos que podem ser candidatos em potencial para a vida. Estamos mais perto do que nunca de detectar sinais de vida alienígena no universo. E muitos desses mundos podem algum dia ser o lar de colônias humanas se escolhermos seguir este caminho. No século 21, começaremos a explorar estas possibilidades: medir as atmosferas desses mundos e procurar por sinais de vida, enviar sondas espaciais a uma velocidade significativa, analisá-las em termos de semelhanças com a Terra em termos de características como oceanos e continentes, cobertura de nuvens, conteúdo de oxigênio na atmosfera, tempos Do ano. Nunca na história do universo houve um momento mais adequado para isso.
Bóson de Higgs
A descoberta da partícula de Higgs no início de 2010 finalmente completou o modelo padrão de partículas elementares. O bóson de Higgs tem uma massa de cerca de 126 GeV / s2, decai após 10-24 segundos e decai exatamente como previsto pelo modelo padrão. Não há sinal de nova física fora do Modelo Padrão no comportamento dessa partícula, e isso é um grande problema.
O que isso significa para a astrofísica. Por que a massa de Higgs é muito menor do que a massa de Planck? Essa questão pode ser formulada de diferentes maneiras: por que a força gravitacional é tão mais fraca do que as outras forças? Existem muitas soluções possíveis: supersimetria, dimensões extras, excitações fundamentais (solução conforme), Higgs como uma partícula composta (tecnicolor), etc. Mas até agora essas soluções não têm provas, e já examinamos com atenção o suficiente?
Em algum nível, deve haver algo fundamentalmente novo: novas partículas, novos campos, novas forças, etc. Todos eles, por sua natureza, terão consequências astrofísicas e cosmológicas, e todos esses efeitos dependem do modelo. Se a física de partículas, por exemplo, no LHC, não fornece nenhuma indicação nova, talvez a astrofísica o faça. O que acontece nas energias mais altas e nas distâncias mais curtas? O Big Bang - e os raios cósmicos - trouxeram-nos as energias mais elevadas do que o nosso acelerador de partículas mais poderoso jamais poderia ter. A próxima chave para resolver um dos maiores problemas da física pode vir do espaço, não da Terra.
Ondas gravitacionais
Por 101 anos, este tem sido o Santo Graal da astrofísica: a busca por evidências diretas da maior previsão não comprovada de Einstein. Quando o Advanced LIGO entrou no ar em 2015, foi capaz de alcançar a sensibilidade necessária para detectar ondulações no espaço-tempo da fonte de ondas gravitacionais de menor comprimento de onda do Universo: buracos negros enrolados e fundidos. Com duas detecções confirmadas em seu currículo (e quantas mais serão), Advanced LIGO levou a astronomia de ondas gravitacionais da fantasia à realidade.
O que isso significa para a astrofísica. Toda a astronomia até agora tem dependido da luz, desde os raios gama ao espectro visível, microondas e radiofrequências. Mas detectar ondulações no espaço-tempo é uma forma inteiramente nova de estudar fenômenos astrofísicos no universo. Com os detectores certos com a sensibilidade certa, podemos ver:
- fusão de estrelas de nêutrons (e descobrir se elas criam explosões de raios gama);
- a fusão de anãs brancas (e associamos supernovas do tipo Ia a elas);
- buracos negros supermassivos devorando outras massas;
- assinaturas de ondas gravitacionais de supernovas;
- assinaturas de pulsares;
- assinaturas residuais de ondas gravitacionais do nascimento do Universo, possivelmente.
Agora, a astronomia de ondas gravitacionais está bem no início do desenvolvimento, dificilmente se tornando um campo comprovado. Os próximos passos serão aumentar a faixa de sensibilidade e frequências, além de combinar o que se vê no céu gravitacional com o céu óptico. O futuro está chegando.
E não estamos falando de outros grandes quebra-cabeças. Existe matéria escura: mais de 80% da massa do Universo é completamente invisível à luz e à matéria comum (atômica). Existe o problema da bariogênese: por que nosso universo está cheio de matéria e não de antimatéria, embora todas as reações que já observamos sejam completamente simétricas em matéria e antimatéria. Existem paradoxos de buracos negros, inflação cósmica e uma teoria quântica da gravidade bem-sucedida ainda não foi criada.
É sempre tentador pensar que nossos melhores dias ficaram para trás e que as descobertas mais importantes e revolucionárias já foram feitas. Mas se quisermos compreender as maiores questões de todas - de onde veio o Universo, em que realmente consiste, como apareceu e para onde vai, como vai acabar - ainda temos muito trabalho a fazer. Com telescópios sem precedentes em tamanho, alcance e sensibilidade, podemos aprender mais do que jamais sabíamos. A vitória nunca é garantida, mas cada passo que damos nos deixa um passo mais perto de nosso destino. Não importa aonde essa jornada nos leve, o principal é que será incrível.
