בעיות פתוחות באסטרונומיה

חלק נכבד מן הבעיות הפתוחות באסטרונומיה הן תאורטיות, כלומר התאוריות הקיימות נראות כבלתי מסוגלות להסביר תופעה נצפית מסוימת או תוצאה ניסיונית מסוימת.

שאר הבעיות הן ניסיוניות, כלומר קיים קושי ביצירת ניסוי לבחינת תאוריה מוצעת או לחקור תופעה מסוימת ביתר פירוט, ואף לאשש אותה.

רוב השאלות והבעיות באסטרונומיה נוגעות לאירועים חד-פעמיים, ההתרחשויות החריגות לא חזרו על עצמן בשביל בדיקה חוזרת, ולכן הגורמים שלהן נותרו לא ברורים.

אסטרונומיה פלנטרית

מערכת כוכבי לכת: כיצד נוצרות מערכות של כוכבי לכת?^[1] מאין הגיע כדור הארץ?
חלוקת כוכבי הלכת: מדוע כוכבי הלכת הפנימיים במערכת השמש הם סלעיים, ואילו החיצוניים גזיים?
האם יש כוכבי לכת נוספים במערכת השמש? מה ההסבר להתרחקות של קבוצת גרמי שמיים הנמצאים בחגורת קויפר? ^[2]
קצב הסיבוב של שבתאי: מדוע האטמוספירה של שבתאי מציגה תקופתיות משתנה הקרובה לזו בה מסתובבת אטמוספירת כדור הארץ? מה קצב הסיבוב האמיתי של פנים שבתאי? ^[3]^[4]

אסטרונומיה כוכבית ואסטרופיזיקה

מחזור השמש: כיצד מייצרת השמש את השדה המגנטי המתהפך שלה מדי פעם ביחס לגודלה הגדול? כיצד נוצרים כוכבים דמויי שמש בעלי שדות מגנטיים משלהם, ומה הדמיון והשוני בין מחזורי הפעילות הכוכבים לזו של השמש?^[5] מה גרם למינימום של מאונדר, ואיך מחזור השמש מתאושש ממצב מינימלי?
בעיית העטרה המחוממת: מדוע העטרה של השמש (שכבת האטמוספירה) חמה יותר משטח השמש?
סופרנובות: מהו המנגנון המדויק של כוכב גוסס להתפוצץ והתפוצצות אדירה?
פרצי קרינת רדיו מהירים: מה גורם לפולסרי הרדיו החולפים מגלקסיות רחוקות, לפלוט רק כמה אלפיות השנייה? מדוע פרצי הרדיו חוזרים על עצמם בפרקי זמן בלתי צפויים, ואף רובם אינם עושים זאת? הוצעו עשרות דגמים, אך אף אחד מהם לא התקבל באופן נרחב^[6].
החלקיק Oh-My-God וקרניים קוסמיות אחרות בעלות אנרגיה גבוהה במיוחד: אילו תהליכים פיזיים יוצרים קרניים קוסמיות שהאנרגיה שלהן חורגת מהמהירות המותרת שלהם? מהו טבעו של חלקיק ה- OMG? ^[7]

אסטרונומיה גלקטית ואסטרופיזיקה

עקומת סיבוב של גלקסיה ספירלית טיפוסית: מצופה ( A ) ובמציאות ( B ). האם ניתן לייחס את הפער בין העקומות לחומר אפל?

בעיית המסה החסרה: מה זהותו של החומר האפל? האם הוא מורכב מחלקיקים? האם מדובר בשותף על קל ביותר (LSP)? או שהאם התופעות המיוחסות לחומר אפל מצביעות לא על צורה כלשהי של חומר, אלא למעשה על הרחבה משוערת של הכבידה, שנובעת מתיקון של חוק הכבידה?
קשר עידן המתכות בדיסק הגלקטי: האם קיים קשר בין העידן המתכתי האוניברסלי לדיסק הגלקטי? אף על פי שבדיסק המקומי של שביל החלב אין שום עדות לקשר^[8], נעשה שימוש במדגם של 229 כוכבי דיסק סמוכים כדי לחקור את קיומם של קשר עידן-מתכתי בדיסק גלקטי, ומציינים כי קיים קשר עידן-מתכתי בדיסק^[9]^[10]. מחקרים מובילים בקוסמולוגיה מאשרים את היעדר הקשר העידן-מתכתי של הדיסק^[11].
מקורות רנטגן אולטרה-לומינאיים (ULX): מהן מקורות הרנטגן שאינם קשורים לגרעינים גלקטיים פעילים אך חורגים מגבול אדינגטון של כוכבי נייטרונים או חורים שחורים כוכביים? האם הם נובעים מחורים שחורים במסה בינונית?^[12]

חורים שחורים

סינגולריות כבידתית: האם תורת היחסות הכללית מתפרקת בחלקו הפנימי של חור שחור כתוצאה מכבידה קוונטית או תופעות אחרות?
משפט האין-שיער: האם לחורים שחורים יש מבנה פנימי? אם כן, כיצד ניתן לחקור את המבנה הפנימי שלהם?
חורים שחורים סופר-מסיביים: מה מקור הקשר בין מסת חור שחור מסיבי לפיזור מהירותו בגלקסיה^[13]? כיצד יצרו הקוואזרים הרחוקים ביותר את החורים השחורים העל-מסיביים שלהם עד 10¹⁰ שמשות כל כך מוקדם בתולדות היקום?
פרדוקס השמדת המידע וקרינת הוקינג: האם חורים שחורים פולטים קרינה אלקטרומגנטית, כצפוי מטעמים תאורטיים^[14]? אם כן, וחורים שחורים יכולים להתנדף, מה קורה למידע המאוחסן בהם, שכן מכניקת הקוונטים אינה מספקת השמדת מידע? או שהקרינה נעצרת בשלב מסוים ומשאירה שאריות חור שחור?
חומות אש שחורות: האם קיימת מן "חומת אש" סביב חור שחור, אשר הורסת ומשמידה כל מידע חיצוני, בדומה לחומת אש ממוחשבת?^[15]

קוסמולוגיה ויחסות כללית

בעיית הזמן: במכניקת הקוונטים, הזמן הוא פרמטר רקע קלאסי וזרימת הזמן היא אוניברסלית ומוחלטת. באופן כללי, תורת היחסות היא מרכיב אחד של מרחב הזמן הארבע ממדי, וזרימת הזמן משתנה בהתאם לעיקול זמן החלל ותוואי החלל של הצופה. כיצד ניתן ליישב בין שני מושגי הזמן האלה? ^[16]
אינפלציה קוסמית: האם תאוריית האינפלציה הקוסמית ביקום המוקדם נכונה? ואם כן, מהם הפרטים בתקופה הזו? מדוע האינפלציה בכלל התקיימה? מהו השדה ההיפותטי שהוליד את האינפלציה הקוסמית הזו? אם האינפלציה התרחשה בשלב מסוים, האם היא מקיימת את עצמה באמצעות אינפלציה של תנודות קוונטיות-מכניות, וכך נמשכת במקום מרוחק במיוחד? מדוע המודל הסטנדרטי אינו מסביר את השדה של האינפלציה?^[17]
בעיית האופק: מדוע היקום הרחוק כל כך הומוגני כאשר נראה כי תאוריית המפץ הגדול מנבא אניסוטרופיות גדולות מדידות יותר של שמי הלילה מאלו שנצפו? האינפלציה הקוסמולוגית מקובלת בדרך כלל כפתרון, אך האם הסברים אפשריים אחרים כגון מהירות אור משתנה מתאימים יותר?^[18]
מקורו וגורלו של היקום: מהם התנאים להתקיימות של משהו? האם היקום מתקדם לעבר הקיפאון הגדול, הקריעה הגדולה, ההתכווצות הגדולה או ואקום כוזב? או שהוא בעצם חלק ממודל מחזורי אין-סופי?
גודל היקום: קוטרו של היקום הנצפה הוא כ־93 מיליארד שנות אור, אך מה הוא גודל היקום כולו?
שבירת סימטריית CP: מדוע יש הרבה יותר חומר מאשר אנטי-חומר ביקום הנצפה?

בעיית הקבוע הקוסמולוגי: מדוע אנרגיית נקודת האפס של הוואקום אינה גורמת לקבוע הקוסמולוגי לגדול? מדוע זה אינו נגרם? ^[19]^[20]
אנרגיה אפלה: מהו הגורם להתפשטות המואצת של היקום? מדוע צפיפות האנרגיה של רכיב האנרגיה האפלה בסדר גודל זהה לצפיפות החומר כיום כאשר השניים מתפתחים בצורה שונה למדי לאורך זמן? יכול להיות שפשוט אנו צופים בדיוק בזמן הנכון? האם אנרגיה אפלה היא קבועה קוסמולוגית טהורה, או שמא יש מודלים של שמיעה כמו אנרגיית פנטום?
זרימה אפלה: האם משיכת כבידה סימטרית לא כדורית מבחוץ היקום הנצפה אחראית לכמה מהתנועות הנצפות של עצמים גדולים, כמו אשכולות גלקטיים ביקום?
צורת היקום: מהי צורתו של היקום? האם הוא יקום פתוח, סגור או שטוח? האם האינפלציה הקוסמית השפיעה על צורתו? האם גילוי צורתו יכולה להשפיע על גורל היקום? כיצד העקמומיות נכנסת כאן לסיטואציה? האם ניתן לתאר את המרחב כיריעה בצורת היקום?

חיים מחוץ לכדור הארץ

ערך מורחב – חיים מחוץ לכדור הארץ

האם יש חיים אחרים ביקום? במיוחד האם יש חיים אינטליגנטים אחרים? אם כן, מה ההסבר לפרדוקס פרמי? ^[21]^[22]
האם נוסחת דרייק היא נכונה? אם כן, האם היא חיונית למציאת ציוויליזציות חוצניות?
אות ה"וואו!": מהו טבעו של אות זה? האם האירוע הנדיר הזה היה אכן אמיתי? אם כן, מה מקורו?

הערות שוליים

^ Carnegie Institution (16 ביוני 2014). "Making Earth-Like Planets: Five Great Mysteries". YouTube. {{cite web}}: (עזרה)
^ See Planets beyond Neptune#Orbits of distant objects for details.
^ "Scientists Find That Saturn's Rotation Period is a Puzzle". NASA. 28 ביוני 2004. נבדק ב-2007-03-22. {{cite web}}: (עזרה)
^ Helled, R., Galanti, E., Kaspi, E., Saturn’s fast spin determined from its gravitational field and oblateness. Nature and arXiv, 2015 https://arxiv.org/pdf/1504.02561.pdf
^ Michael J. Thompson (2014). "Grand Challenges in the Physics of the Sun and Sun-like Stars". Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 1: 1. arXiv:1406.4228v1. Bibcode:2014FrASS...1....1T. doi:10.3389/fspas.2014.00001.
^ Platts, E.; Weltman, A.; Walters, A.; Tendulkar, S.P.; Gordin, J.E.B.; Kandhai, S. (2019). "A living theory catalogue for fast radio bursts". Physics Reports. 821: 1–27. arXiv:1810.05836. Bibcode:2019PhR...821....1P. doi:10.1016/j.physrep.2019.06.003.
^ Wolchover, Natalie (2015-05-14). "The Particle That Broke a Cosmic Speed Limit". Quanta Magazine. נבדק ב-2018-05-04.
^ Casagrande, L.; Schönrich, R.; Asplund, M.; Cassisi, S.; Ramírez, I.; Meléndez, J.; Bensby, T.; Feltzing, S. (2011). "New constraints on the chemical evolution of the solar neighbourhood and Galactic disc(s)". Astronomy & Astrophysics. 530: A138. arXiv:1103.4651. Bibcode:2011A&A...530A.138C. doi:10.1051/0004-6361/201016276.
^ Bensby, T.; Feltzing, S.; Lundström, I. (ביולי 2004). "A possible age-metallicity relation in the Galactic thick disk?". Astronomy and Astrophysics. 421 (3): 969–976. arXiv:astro-ph/0403591. Bibcode:2004A&A...421..969B. doi:10.1051/0004-6361:20035957. {{cite journal}}: (עזרה)
^ Gilmore, G.; Asiri, H. M. (2011). "Open Issues in the Evolution of the Galactic Disks". Stellar Clusters & Associations: A RIA Workshop on Gaia. Proceedings. Granada: 280. Bibcode:2011sca..conf..280G.
^ Casagrande, L.; Silva Aguirre, V.; Schlesinger, K. J.; Stello, D.; Huber, D.; Serenelli, A. M.; Scho Nrich, R.; Cassisi, S.; Pietrinferni, A. (2015). "Measuring the vertical age structure of the Galactic disc using asteroseismology and SAGA". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 455 (1): 987–1007. arXiv:1510.01376. Bibcode:2016MNRAS.455..987C. doi:10.1093/mnras/stv2320.
^ Hooper, Dan; Goodenough, Lisa (21 במרץ 2011). "Dark matter annihilation in the Galactic Center as seen by the Fermi Gamma Ray Space Telescope". Physics Letters B. 697 (5): 412–428. arXiv:1010.2752. doi:10.1016/j.physletb.2011.02.029. {{cite journal}}: (עזרה)
^ Ferrarese, Laura; Merritt, David (2000). "A Fundamental Relation between Supermassive Black Holes and their Host Galaxies". The Astrophysical Journal. 539 (1): L9–L12. arXiv:astro-ph/0006053. Bibcode:2000ApJ...539L...9F. doi:10.1086/312838.
^ Peres, Asher; Terno, Daniel R. (2004). "Quantum information and relativity theory". Reviews of Modern Physics. 76 (1): 93–123. arXiv:quant-ph/0212023. Bibcode:2004RvMP...76...93P. doi:10.1103/revmodphys.76.93.
^ Ouellette, Jennifer (21 בדצמבר 2012). "Black Hole Firewalls Confound Theoretical Physicists". Scientific American. אורכב מ-המקור ב-9 בנובמבר 2013. נבדק ב-29 באוקטובר 2013. {{cite news}}: (עזרה)
^ Isham, C. J. (1993). "Canonical Quantum Gravity and the Problem of Time". Integrable Systems, Quantum Groups, and Quantum Field Theories. NATO ASI Series (באנגלית). Springer, Dordrecht. pp. 157–287. arXiv:gr-qc/9210011. doi:10.1007/978-94-011-1980-1_6. ISBN 9789401048743.
^ Podolsky, Dmitry. "Top ten open problems in physics". NEQNET. אורכב מ-המקור ב-22 באוקטובר 2012. נבדק ב-24 בינואר 2013. {{cite web}}: (עזרה)
^ Brooks, Michael (19 במרץ 2005). "13 Things That Do Not Make Sense". New Scientist. Issue 2491. נבדק ב-7 במרץ 2011. {{cite news}}: (עזרה)
^ Steinhardt, P.; Turok, N. (2006). "Why the Cosmological constant is so small and positive". Science. 312 (5777): 1180–1183. arXiv:astro-ph/0605173. Bibcode:2006Sci...312.1180S. doi:10.1126/science.1126231. PMID 16675662.
^ Wang, Qingdi; Zhu, Zhen; Unruh, William G. (11 במאי 2017). "How the huge energy of quantum vacuum gravitates to drive the slow accelerating expansion of the Universe". Physical Review D. 95 (10): 103504. arXiv:1703.00543. Bibcode:2017PhRvD..95j3504W. doi:10.1103/PhysRevD.95.103504. This problem is widely regarded as one of the major obstacles to further progress in fundamental physics [...] Its importance has been emphasized by various authors from different aspects. For example, it has been described as a “veritable crisis” [...] and even “the mother of all physics problems” [...] While it might be possible that people working on a particular problem tend to emphasize or even exaggerate its importance, those authors all agree that this is a problem that needs to be solved, although there is little agreement on what is the right direction to find the solution. {{cite journal}}: (עזרה)
^ "Rare Earth: Complex Life Elsewhere in the Universe?". Astrobiology Magazine. אורכב מ-המקור ב-28 ביוני 2011. נבדק ב-12 באוגוסט 2006. {{cite web}}: (עזרה)
^ Sagan, Carl. "The Quest for Extraterrestrial Intelligence". Cosmic Search Magazine. אורכב מ-המקור ב-18 באוגוסט 2006. נבדק ב-12 באוגוסט 2006. {{cite web}}: (עזרה)

[carnegie-1] Carnegie Institution (16 ביוני 2014). "Making Earth-Like Planets: Five Great Mysteries". YouTube. {{cite web}}: (עזרה)

[2] See Planets beyond Neptune#Orbits of distant objects for details.

[3] "Scientists Find That Saturn's Rotation Period is a Puzzle". NASA. 28 ביוני 2004. נבדק ב-2007-03-22. {{cite web}}: (עזרה)

[4] Helled, R., Galanti, E., Kaspi, E., Saturn’s fast spin determined from its gravitational field and oblateness. Nature and arXiv, 2015 https://arxiv.org/pdf/1504.02561.pdf

[5] Michael J. Thompson (2014). "Grand Challenges in the Physics of the Sun and Sun-like Stars". Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 1: 1. arXiv:1406.4228v1. Bibcode:2014FrASS...1....1T. doi:10.3389/fspas.2014.00001.

[6] Platts, E.; Weltman, A.; Walters, A.; Tendulkar, S.P.; Gordin, J.E.B.; Kandhai, S. (2019). "A living theory catalogue for fast radio bursts". Physics Reports. 821: 1–27. arXiv:1810.05836. Bibcode:2019PhR...821....1P. doi:10.1016/j.physrep.2019.06.003.

[7] Wolchover, Natalie (2015-05-14). "The Particle That Broke a Cosmic Speed Limit". Quanta Magazine. נבדק ב-2018-05-04.

[8] Casagrande, L.; Schönrich, R.; Asplund, M.; Cassisi, S.; Ramírez, I.; Meléndez, J.; Bensby, T.; Feltzing, S. (2011). "New constraints on the chemical evolution of the solar neighbourhood and Galactic disc(s)". Astronomy & Astrophysics. 530: A138. arXiv:1103.4651. Bibcode:2011A&A...530A.138C. doi:10.1051/0004-6361/201016276.

[9] Bensby, T.; Feltzing, S.; Lundström, I. (ביולי 2004). "A possible age-metallicity relation in the Galactic thick disk?". Astronomy and Astrophysics. 421 (3): 969–976. arXiv:astro-ph/0403591. Bibcode:2004A&A...421..969B. doi:10.1051/0004-6361:20035957. {{cite journal}}: (עזרה)

[10] Gilmore, G.; Asiri, H. M. (2011). "Open Issues in the Evolution of the Galactic Disks". Stellar Clusters & Associations: A RIA Workshop on Gaia. Proceedings. Granada: 280. Bibcode:2011sca..conf..280G.

[11] Casagrande, L.; Silva Aguirre, V.; Schlesinger, K. J.; Stello, D.; Huber, D.; Serenelli, A. M.; Scho Nrich, R.; Cassisi, S.; Pietrinferni, A. (2015). "Measuring the vertical age structure of the Galactic disc using asteroseismology and SAGA". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 455 (1): 987–1007. arXiv:1510.01376. Bibcode:2016MNRAS.455..987C. doi:10.1093/mnras/stv2320.

[PHY-20110321-12] Hooper, Dan; Goodenough, Lisa (21 במרץ 2011). "Dark matter annihilation in the Galactic Center as seen by the Fermi Gamma Ray Space Telescope". Physics Letters B. 697 (5): 412–428. arXiv:1010.2752. doi:10.1016/j.physletb.2011.02.029. {{cite journal}}: (עזרה)

[13] Ferrarese, Laura; Merritt, David (2000). "A Fundamental Relation between Supermassive Black Holes and their Host Galaxies". The Astrophysical Journal. 539 (1): L9–L12. arXiv:astro-ph/0006053. Bibcode:2000ApJ...539L...9F. doi:10.1086/312838.

[Peres_2004-14] Peres, Asher; Terno, Daniel R. (2004). "Quantum information and relativity theory". Reviews of Modern Physics. 76 (1): 93–123. arXiv:quant-ph/0212023. Bibcode:2004RvMP...76...93P. doi:10.1103/revmodphys.76.93.

[sciam/Confound-15] Ouellette, Jennifer (21 בדצמבר 2012). "Black Hole Firewalls Confound Theoretical Physicists". Scientific American. אורכב מ-המקור ב-9 בנובמבר 2013. נבדק ב-29 באוקטובר 2013. {{cite news}}: (עזרה)

[16] Isham, C. J. (1993). "Canonical Quantum Gravity and the Problem of Time". Integrable Systems, Quantum Groups, and Quantum Field Theories. NATO ASI Series (באנגלית). Springer, Dordrecht. pp. 157–287. arXiv:gr-qc/9210011. doi:10.1007/978-94-011-1980-1_6. ISBN 9789401048743.

[podolsky-NEQNET-17] Podolsky, Dmitry. "Top ten open problems in physics". NEQNET. אורכב מ-המקור ב-22 באוקטובר 2012. נבדק ב-24 בינואר 2013. {{cite web}}: (עזרה)

[newscientist-18] Brooks, Michael (19 במרץ 2005). "13 Things That Do Not Make Sense". New Scientist. Issue 2491. נבדק ב-7 במרץ 2011. {{cite news}}: (עזרה)

[19] Steinhardt, P.; Turok, N. (2006). "Why the Cosmological constant is so small and positive". Science. 312 (5777): 1180–1183. arXiv:astro-ph/0605173. Bibcode:2006Sci...312.1180S. doi:10.1126/science.1126231. PMID 16675662.

[:3-20] Wang, Qingdi; Zhu, Zhen; Unruh, William G. (11 במאי 2017). "How the huge energy of quantum vacuum gravitates to drive the slow accelerating expansion of the Universe". Physical Review D. 95 (10): 103504. arXiv:1703.00543. Bibcode:2017PhRvD..95j3504W. doi:10.1103/PhysRevD.95.103504. This problem is widely regarded as one of the major obstacles to further progress in fundamental physics [...] Its importance has been emphasized by various authors from different aspects. For example, it has been described as a “veritable crisis” [...] and even “the mother of all physics problems” [...] While it might be possible that people working on a particular problem tend to emphasize or even exaggerate its importance, those authors all agree that this is a problem that needs to be solved, although there is little agreement on what is the right direction to find the solution. {{cite journal}}: (עזרה)

[21] "Rare Earth: Complex Life Elsewhere in the Universe?". Astrobiology Magazine. אורכב מ-המקור ב-28 ביוני 2011. נבדק ב-12 באוגוסט 2006. {{cite web}}: (עזרה)

[22] Sagan, Carl. "The Quest for Extraterrestrial Intelligence". Cosmic Search Magazine. אורכב מ-המקור ב-18 באוגוסט 2006. נבדק ב-12 באוגוסט 2006. {{cite web}}: (עזרה)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]