Introduktion
Fysikere mener, at de har opdaget en slående asymmetri i arrangementerne af galakser på himlen. Hvis det bekræftes, vil resultatet pege på træk ved de ukendte grundlæggende love, der fungerede under Big Bang.
"Hvis dette resultat er ægte, vil nogen modtage en Nobelpris," sagde Marc Kamionkowski, en fysiker ved Johns Hopkins University, som ikke var involveret i analysen.
Som om de spillede et kosmisk spil Connect the Dots, tegnede forskerne linjer mellem sæt af fire galakser og konstruerede fire-hjørnede former kaldet tetraedre. Da de havde bygget alle mulige tetraeder ud fra et katalog over 1 million galakser, fandt de ud af, at tetraedre orienteret én vej overstiger deres spejlbilleder.
Et antydning af ubalancen mellem tetraedre og deres spejlbilleder var først rapporteret by Oliver Philcox, en astrofysiker ved Columbia University i New York, i et papir offentliggjort i Fysisk gennemgang D i september. I en uafhængig analyse udført samtidigt, som nu gennemgår peer review, Jiamin Hou , Zachary Slepian fra University of Florida og Robert Cahn fra Lawrence Berkeley National Laboratory opdaget asymmetrien med et niveau af statistisk sikkerhed, som fysikere normalt betragter som definitive.
Men med sådan en stor succes - og en, der stadig er under revision - siger eksperter, at forsigtighed er berettiget.
"Der er ingen åbenlys grund til, at de har begået en fejl," sagde Shaun Hotchkiss, en kosmolog ved University of Auckland. "Det betyder ikke, at der ikke er en fejl."
Den formodede ubalance krænker en symmetri kaldet "paritet", en ækvivalens mellem venstre og højre. Hvis observationen modstår granskning, mener fysikere, at den må afspejle en ukendt, paritetskrænkende ingrediens i den oprindelige proces, der såede kimen til al den struktur, der udviklede sig i vores univers.
"Det er et utroligt resultat - virkelig imponerende," sagde Kamionkowski. "Tror jeg på det? Jeg vil vente med at fejre det rigtigt.”
Venstrehåndsunivers
Paritet var engang en elsket fysiksymmetri. Men så, i 1957, eksperimenterede den kinesisk-amerikanske fysiker Chien-Shiung Wu's nukleare henfaldseksperimenter afslørede at vores univers faktisk har en lille håndsrækning: Subatomære partikler involveret i den svage kernekraft, som forårsager nuklear henfald, er altid magnetisk orienteret i den modsatte retning af den, de bevæger sig i, så de spiraler som trådene på en venstre -håndsskrue. De spejlvendte partikler - dem som højrehåndede skruer - føler ikke den svage kraft.
Wus afsløring var chokerende. "Vi er alle ret rystede over døden af vores elskede ven, paritet," skrev fysikeren John Blatt i et brev til Wolfgang Pauli.
Den svage krafts venstrehåndethed har subtile effekter, der ikke kunne have påvirket kosmos på galaktiske skalaer. Men lige siden Wus opdagelse har fysikere søgt andre måder, hvorpå universet adskiller sig fra sit spejlbillede.
Hvis for eksempel en primordial paritetskrænkelse var i kraft, da universet var i sin vorden, kunne det have præget en drejning på kosmos struktur.
På eller nær tidspunktet for universets fødsel menes et felt kendt som inflaton at have gennemtrængt rummet. Et roilende, kogende medium, hvor inflatonpartikler kontinuerligt boblede op og forsvandt, inflatonfeltet var også frastødende; i den korte tid, det kan have eksisteret, ville det have fået vores univers til hurtigt at udvide sig til 100 billioner billioner gange dets oprindelige størrelse. Alle disse kvanteudsving af partikler i inflatonfeltet blev slynget ud og frosset ind i kosmos og blev til variationer i stoffets tæthed. De tættere lommer fortsatte med at tyngdemæssigt smelte sammen for at producere de galakser og storskalastruktur, vi ser i dag.
I 1999, forskere, herunder Kamionkowski betragtes hvad ville der ske, hvis mere end ét felt var til stede før denne eksplosion. Inflatonfeltet kunne have interageret med et andet felt, der kunne producere højrehåndede og venstrehåndede partikler. Hvis inflatonen behandlede højrehåndede partikler anderledes end de venstrehåndede, så kunne den fortrinsvis have skabt partikler af den ene hånd frem for den anden. Denne såkaldte Chern-Simons kobling ville have præget de tidlige kvanteudsving med en foretrukken håndhed, som ville have udviklet sig til en ubalance mellem venstrehåndede og højrehåndede tetraedriske arrangementer af galakser.
Med hensyn til hvad det ekstra felt kan være, er en mulighed gravitationsfeltet. I dette scenarie ville en paritetskrænkende Chern-Simons-interaktion forekomme mellem inflatonpartikler og gravitoner - kvanteenhederne for tyngdekraften - som ville være dukket op i gravitationsfeltet under inflation. En sådan interaktion ville have skabt en håndhævelse i tæthedsvariationerne i det tidlige univers og følgelig i nutidens storskalastruktur.
Introduktion
I 2006, blev Stephon Alexander, fysiker nu ved Brown University, foreslog at Chern-Simons tyngdekraft også potentielt kunne løse et af de største mysterier i kosmologi: hvorfor vores univers indeholder mere stof end antistof. Han formodede, at Chern-Simons-interaktionen kunne have givet en relativ overflod af venstrehåndede gravitoner, som til gengæld fortrinsvis ville skabe venstrehåndet stof frem for højrehåndet antistof.
Alexanders idé forblev relativt uklar i årevis. Da han hørte om de nye resultater, sagde han, "det var en stor overraskelse."
Tetraeder i himlen
Cahn mente, at muligheden for at løse stof-antistof-asymmetripuslespillet med paritetskrænkelse i det tidlige univers var "spekulativ, men også provokerende." I 2019 besluttede han at lede efter paritetskrænkelse i et katalog over galakser i Sloan Digital Sky Survey. Han forventede ikke at finde noget, men mente, at det ville være et tjek værd.
For at teste, om galaksefordelingen respekterer eller krænker paritet, vidste han og hans samarbejdspartnere, at de var nødt til at studere tetraedriske arrangementer af fire galakser. Dette skyldes, at tetraederet er den enkleste tredimensionelle form, og kun 3D-objekter har en chance for at overtræde pariteten. For at forstå dette skal du overveje dine hænder. Fordi hænder er 3D, er der ingen måde at rotere en venstre for at få den til at ligne en højre. Vend din venstre hånd om, så tommelfingrene på begge hænder er til venstre, og dine hænder stadig ser anderledes ud - håndfladerne vender modsat. Hvis du derimod sporer en venstre hånd på et ark papir og klipper 2D-billedet ud, vil vending af udskæringen få det til at ligne en højre hånd. Udskæringen og dens spejlbillede kan ikke skelnes.
I 2020 fandt Slepian og Cahn på en måde at definere "håndheden" af et tetraedrisk arrangement af galakser for at sammenligne antallet af venstrehåndede og højrehåndede på himlen. Først tog de en galakse og så på afstandene til tre andre galakser. Hvis afstandene steg i urets retning som en højrehåndsskrue, kaldte de tetraederet højrehåndet. Hvis afstandene steg mod uret, var den venstrehåndet.
For at afgøre, om universet som helhed har en foretrukken håndhævelse, var de nødt til at gentage analysen for alle tetraedre konstrueret ud fra deres database med 1 million galakser. Der er næsten 1 billion trillion sådanne tetraedre - en uoverskuelig liste at håndtere en ad gangen. Men der udviklede sig et factoring-trick tidligere arbejde på et andet problem tillod forskerne at se på pariteten af tetraeder mere holistisk: I stedet for at samle et tetraeder ad gangen og bestemme dets paritet, kunne de tage hver galakse på skift og gruppere alle andre galakser i henhold til deres afstande fra den galakse, skabe lag som lagene af et løg. Ved at udtrykke de relative positioner af galakser i hvert lag i form af matematiske funktioner af vinkler kaldet sfæriske harmoniske, kunne de systematisk kombinere sæt af tre lag for at lave kollektive tetraedre.
Forskerne sammenlignede derefter resultaterne med deres forventninger baseret på paritetsbevarende fysiklove. Hou ledede dette trin og analyserede falske kataloger over galakser, der var blevet genereret ved at simulere universets udvikling med udgangspunkt i små, paritetsbevarende tæthedsvariationer. Ud fra disse falske kataloger kunne Hou og hendes kolleger bestemme, hvordan tallet for venstre- og højrehåndede tetraedre varierer tilfældigt, selv i en spejlsymmetrisk verden.
Holdet fandt et "syv-sigma" niveau af paritetsovertrædelse i de rigtige data, hvilket betyder, at ubalancen mellem venstre- og højrehåndede tetraedre var syv gange så stor, som man kunne forvente af tilfældige tilfældigheder og andre tænkelige fejlkilder.
Kamionkowski kaldte det "utroligt, at de var i stand til at gøre det," og tilføjede, at "teknisk set er det helt forbløffende. Det er en virkelig, virkelig, virkelig kompliceret analyse.”
Philcox brugte lignende metoder (og havde været medforfatter til nogle tidligere artikler, der foreslog en sådan analyse sammen med Hou, Slepian og Cahn), men han traf nogle forskellige valg - for eksempel ved at gruppere galakserne i færre lag end Hou og kolleger og udelade nogle problematiske tetraedre fra analysen - og fandt derfor en mere beskeden 2.9-sigma krænkelse af paritet. Forskerne studerer nu forskellene mellem deres analyser. Selv efter omfattende bestræbelser på at forstå dataene, forbliver alle parter forsigtige.
Bekræftende beviser
Det overraskende fund antyder ny fysik, der potentielt kan besvare mangeårige spørgsmål om universet. Men arbejdet er kun lige begyndt.
Først skal fysikere verificere (eller forfalske) observationen. Nye, ambitiøse galakseundersøgelser, hvor analysen kan gentages, er allerede i gang. Den igangværende Dark Energy Spectroscopic Instrument-undersøgelse har for eksempel registreret 14 millioner galakser indtil videre og vil indeholde mere end 30 millioner, når den er afsluttet. "Det vil give os en mulighed for at se på dette meget mere detaljeret med meget bedre statistik," sagde Cahn.
Introduktion
Desuden, hvis det paritetskrænkende signal er ægte, kan det dukke op i andre data end fordelingen af galakser. Det ældste lys på himlen, for eksempel - et strålingsbad kendt som den kosmiske mikrobølgebaggrund, tilbage fra det tidlige univers - giver vores tidligste øjebliksbillede af rumlige variationer i kosmos. Det plettede mønster af dette lys skulle indeholde de samme paritetskrænkende korrelationer som de galakser, der blev dannet senere. Fysikere siger, at det burde være muligt at finde et sådant signal i lyset.
Et andet sted at se vil være mønsteret af gravitationsbølger, der kan være blevet genereret under inflationen, kaldet den stokastiske gravitationsbølgebaggrund. Disse proptrækker-lignende krusninger i rumtidsstoffet kan være højrehåndede eller venstrehåndede, og i en paritetsbevarende verden ville de indeholde lige store mængder af hver. Så hvis fysikere formår at måle denne baggrund og finde ud af, at enhåndsbehandling foretrækkes, ville dette være en utvetydig, uafhængig kontrol af paritetskrænkende fysik i det tidlige univers.
Efterhånden som søgningen efter bekræftende beviser begynder, vil teoretikere studere inflationsmodeller, der kunne have frembragt signalet. Med Giovanni Cabass, en teoretisk fysiker ved Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, Philcox brugte for nylig sin måling til at teste en række paritetskrænkende modeller inflation, inklusive dem af Chern-Simons-typen. (De kan endnu ikke sige med sikkerhed, hvilken model, hvis nogen, er korrekt.)
Alexander har også omfokuseret sin indsats på at forstå Chern-Simons tyngdekraft. Med samarbejdspartnere, herunder Kamionkowski og Cyril Creque-Sarbinowski fra Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics, er Alexander begyndt at udarbejde subtile detaljer om, hvordan Chern-Simons tyngdekraft i det tidlige univers ville påvirke fordelingen af nutidens galakser.
"Jeg var lidt som den enlige soldat, der skubbede på det her i et stykke tid," sagde han. "Det er godt at se, at folk interesserer sig."
Redaktørens note: Flatiron Institute er finansieret af Simons Foundation, som også støtter dette redaktionelt uafhængige magasin. Derudover modtager Oliver Philcox midler fra Simons Fonden.
