Asymmetrie in der Verteilung von Galaxien entdeckt

Physiker glauben, eine auffällige Asymmetrie in der Anordnung der Galaxien am Himmel entdeckt zu haben. Wenn sich der Befund bestätigt, würde er auf Merkmale der unbekannten Grundgesetze hinweisen, die während des Urknalls wirkten.

„Wenn dieses Ergebnis echt ist, wird jemand einen Nobelpreis bekommen“, sagte er Marc Kamionkowski, ein Physiker an der Johns Hopkins University, der nicht an der Analyse beteiligt war.

Als würden sie ein kosmisches Spiel von Connect the Dots spielen, zogen die Forscher Linien zwischen Gruppen von vier Galaxien und konstruierten viereckige Formen, die Tetraeder genannt werden. Als sie alle möglichen Tetraeder aus einem Katalog von 1 Million Galaxien gebaut hatten, stellten sie fest, dass Tetraeder, die in eine Richtung orientiert waren, ihren Spiegelbildern zahlenmäßig überlegen waren.

Ein Hinweis auf das Ungleichgewicht zwischen Tetraedern und ihren Spiegelbildern war der erste berichtet by Oliver Philcox, ein Astrophysiker an der Columbia University in New York, in einem Artikel, der in veröffentlicht wurde Körperliche Überprüfung D im September. In einer gleichzeitig durchgeführten unabhängigen Analyse, die jetzt einem Peer-Review unterzogen wird, Jimin Hou und Zachary Slepian der Universität von Florida und Robert Cahn des Lawrence Berkeley National Laboratory erkannt die Asymmetrie mit einer statistischen Sicherheit, die Physiker normalerweise als definitiv betrachten.

Aber bei einem solchen Blockbuster-Ergebnis – und einem, das noch geprüft wird – sagen Experten, dass Vorsicht geboten ist.

„Es gibt keinen offensichtlichen Grund dafür, dass sie einen Fehler gemacht haben“, sagte er Shaun Hotchkiss, Kosmologe an der University of Auckland. „Das heißt nicht, dass es keinen Fehler gibt.“

Das vermeintliche Ungleichgewicht verletzt eine Symmetrie namens „Parität“, eine Äquivalenz von links und rechts. Wenn die Beobachtung einer genauen Prüfung standhält, glauben die Physiker, dass sie einen unbekannten, die Parität verletzenden Bestandteil des Urprozesses widerspiegeln muss, der den Samen aller Strukturen gesät hat, die sich in unserem Universum entwickelt haben.

„Das ist ein unglaubliches Ergebnis – wirklich beeindruckend“, sagte Kamionkowski. „Glaube ich es? Ich werde warten, um wirklich zu feiern.“

Linkshändiges Universum

Parität war einst eine geschätzte Symmetrie der Physik. Aber dann, 1957, die Atomzerfallsexperimente des chinesisch-amerikanischen Physikers Chien-Shiung Wu enthüllt dass unser Universum tatsächlich eine leichte Händigkeit hat: Subatomare Teilchen, die an der schwachen Kernkraft beteiligt sind, die den Kernzerfall verursacht, sind magnetisch immer in die entgegengesetzte Richtung orientiert, in der sie sich bewegen, so dass sie sich wie die Fäden einer Linken winden -händige Schraube. Die spiegelbildlichen Partikel – die wie rechtsgängige Schrauben – spüren die schwache Kraft nicht.

Wus Enthüllung war schockierend. „Wir sind alle ziemlich erschüttert über den Tod unseres geliebten Freundes Parity“, schrieb der Physiker John Blatt in einem Brief an Wolfgang Pauli.

Die Linkshändigkeit der schwachen Kraft hat subtile Auswirkungen, die den Kosmos im galaktischen Maßstab nicht hätten beeinflussen können. Aber seit Wus Entdeckung haben Physiker nach anderen Wegen gesucht, wie sich das Universum von seinem Spiegelbild unterscheidet.

Wenn beispielsweise eine ursprüngliche Paritätsverletzung in Kraft war, als das Universum noch in den Kinderschuhen steckte, könnte dies der Struktur des Kosmos eine Wendung aufgedrückt haben.

Es wird angenommen, dass ein Feld, das als Inflation bekannt ist, zum oder nahe dem Zeitpunkt der Geburt des Universums den Weltraum durchdrungen hat. Als aufgewühltes, siedendes Medium, in dem Aufblaspartikel kontinuierlich aufstiegen und verschwanden, war das Aufblasfeld auch abstoßend; Für die kurze Zeit, die es existiert haben mag, hätte es dazu geführt, dass sich unser Universum schnell auf das 100-Billionen-Billionen-fache seiner ursprünglichen Größe ausdehnt. Alle diese Quantenfluktuationen von Partikeln im Inflationsfeld wurden nach außen geschleudert und im Kosmos eingefroren, wodurch sie zu Variationen in der Dichte der Materie wurden. Die dichteren Taschen verschmolzen weiterhin durch Gravitation, um die Galaxien und großräumigen Strukturen zu erzeugen, die wir heute sehen.

1999 haben Forscher, darunter Kamionkowski betrachtet Was würde passieren, wenn vor dieser Explosion mehr als ein Feld vorhanden wäre? Das Inflationsfeld könnte mit einem anderen Feld interagiert haben, das rechts- und linksgängige Partikel erzeugen könnte. Wenn die Inflation rechtshändige Teilchen anders behandelt hätte als linkshändige, könnte sie vorzugsweise Teilchen einer Händigkeit gegenüber der anderen erzeugt haben. Diese sogenannte Chern-Simons-Kopplung hätte den frühen Quantenfluktuationen eine bevorzugte Händigkeit verliehen, die sich zu einem Ungleichgewicht von linkshändigen und rechtshändigen tetraedrischen Anordnungen von Galaxien entwickelt hätte.

Was das zusätzliche Feld sein könnte, ist eine Möglichkeit das Gravitationsfeld. In diesem Szenario würde eine paritätsverletzende Chern-Simons-Wechselwirkung zwischen Inflationsteilchen und Gravitonen – den Quanteneinheiten der Schwerkraft – auftreten, die während der Inflation im Gravitationsfeld aufgetaucht wären. Eine solche Wechselwirkung hätte eine Händigkeit in den Dichtevariationen des frühen Universums und folglich in der heutigen großräumigen Struktur geschaffen.

In 2006, Stephan Alexander, jetzt Physiker an der Brown University, vorgeschlagen dass Chern-Simons Gravitation möglicherweise auch eines der größten Rätsel der Kosmologie lösen könnte: warum unser Universum mehr Materie als Antimaterie enthält. Er vermutete, dass die Chern-Simons-Wechselwirkung eine relative Fülle von linkshändigen Gravitonen hervorgebracht haben könnte, die wiederum bevorzugt linkshändige Materie gegenüber rechtshändiger Antimaterie erzeugen würden.

Alexanders Idee blieb jahrelang relativ dunkel. Als er von den neuen Erkenntnissen hörte, sagte er: „Das war eine große Überraschung.“

Tetraeder im Himmel

Cahn hielt die Möglichkeit, das Rätsel der Materie-Antimaterie-Asymmetrie mit Paritätsverletzung im frühen Universum zu lösen, für „spekulativ, aber auch provokativ“. Im Jahr 2019 beschloss er, in einem Katalog von Galaxien im Sloan Digital Sky Survey nach Paritätsverletzungen zu suchen. Er hatte nicht erwartet, etwas zu finden, dachte aber, es wäre eine Überprüfung wert.

Um zu testen, ob die Galaxienverteilung die Parität respektiert oder verletzt, wussten er und seine Mitarbeiter, dass sie tetraedrische Anordnungen von vier Galaxien untersuchen mussten. Dies liegt daran, dass das Tetraeder die einfachste dreidimensionale Form ist und nur 3D-Objekte eine Chance haben, die Parität zu verletzen. Um dies zu verstehen, betrachten Sie Ihre Hände. Da Hände dreidimensional sind, gibt es keine Möglichkeit, einen linken zu drehen, damit er wie ein rechter aussieht. Drehen Sie Ihre linke Hand um, sodass die Daumen beider Hände links sind, und Ihre Hände sehen immer noch anders aus – die Handflächen zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Wenn Sie dagegen eine linke Hand auf ein Blatt Papier zeichnen und das 3D-Bild ausschneiden, sieht es durch Umdrehen des Ausschnitts wie eine rechte Hand aus. Der Ausschnitt und sein Spiegelbild sind nicht zu unterscheiden.

Im Jahr 2020 entwickelten Slepian und Cahn einen Weg, die „Händigkeit“ einer tetraedrischen Anordnung von Galaxien zu definieren, um die Anzahl der linkshändigen und rechtshändigen Galaxien am Himmel zu vergleichen. Zuerst nahmen sie eine Galaxie und betrachteten die Entfernungen zu drei anderen Galaxien. Vergrößerten sich die Abstände im Uhrzeigersinn wie bei einer Rechtsschraube, nannten sie den Tetraeder rechtsgängig. Wenn die Entfernungen gegen den Uhrzeigersinn zunahmen, war es Linkshänder.

Um festzustellen, ob das Universum als Ganzes eine bevorzugte Händigkeit hat, mussten sie die Analyse für alle Tetraeder wiederholen, die aus ihrer Datenbank von 1 Million Galaxien konstruiert wurden. Es gibt fast 1 Billion Billionen solcher Tetraeder – eine unlösbare Liste, um sie einzeln zu behandeln. Doch ein Factoring-Trick hat sich eingeschlichen frühere Arbeit an einem anderen Problem ermöglichte es den Forschern, die Parität von Tetraedern ganzheitlicher zu betrachten: Anstatt jeweils einen Tetraeder zusammenzusetzen und seine Parität zu bestimmen, konnten sie jede Galaxie der Reihe nach nehmen und alle anderen Galaxien entsprechend ihrer Entfernung von dieser Galaxie gruppieren. Erstellen von Schichten wie die Schichten einer Zwiebel. Indem sie die relativen Positionen von Galaxien in jeder Schicht in Form von mathematischen Winkelfunktionen ausdrückten, die als sphärische Harmonische bezeichnet werden, konnten sie systematisch Sätze von drei Schichten kombinieren, um kollektive Tetraeder zu bilden.

Anschließend verglichen die Forscher die Ergebnisse mit ihren Erwartungen auf der Grundlage paritätserhaltender Gesetze der Physik. Hou leitete diesen Schritt, indem er gefälschte Kataloge von Galaxien analysierte, die durch Simulation der Entwicklung des Universums erzeugt worden waren, ausgehend von winzigen, paritätserhaltenden Dichtevariationen. Anhand dieser Scheinkataloge konnten Hou und ihre Kollegen bestimmen, wie die Zahl der links- und rechtshändigen Tetraeder zufällig variiert, selbst in einer spiegelsymmetrischen Welt.

Das Team fand in den realen Daten eine „Sieben-Sigma“-Paritätsverletzung, was bedeutet, dass das Ungleichgewicht zwischen links- und rechtshändigen Tetraedern siebenmal so groß war, wie aufgrund von Zufall und anderen denkbaren Fehlerquellen zu erwarten wäre.

Kamionkowski nannte es „unglaublich, dass sie dazu in der Lage waren“, und fügte hinzu: „Technisch gesehen ist es absolut erstaunlich. Es ist eine wirklich, wirklich, wirklich komplizierte Analyse.“

Philcox verwendete ähnliche Methoden (und war Co-Autor einiger früherer Artikel, in denen eine solche Analyse mit Hou, Slepian und Cahn vorgeschlagen wurde), aber er traf einige andere Entscheidungen – zum Beispiel gruppierte er die Galaxien in weniger Schichten als Hou und seine Kollegen und ließ einige Probleme aus Tetraeder aus der Analyse – und fand daher eine bescheidenere 2.9-Sigma-Verletzung der Parität. Die Forscher untersuchen nun die Unterschiede zwischen ihren Analysen. Auch nach umfangreichen Bemühungen, die Daten zu verstehen, bleiben alle Parteien vorsichtig.

Bestätigende Beweise

Der überraschende Befund weist auf eine neue Physik hin, die möglicherweise langjährige Fragen zum Universum beantworten könnte. Aber die Arbeit hat gerade erst begonnen.

Zuerst müssen die Physiker die Beobachtung verifizieren (oder falsifizieren). Neue, ehrgeizige Galaxiendurchmusterungen, bei denen die Analyse wiederholt werden soll, sind bereits im Gange. Die laufende Untersuchung des Dark Energy Spectroscopic Instrument beispielsweise hat bisher 14 Millionen Galaxien aufgezeichnet und wird nach Abschluss mehr als 30 Millionen enthalten. „Das wird uns die Gelegenheit geben, dies viel detaillierter mit viel besseren Statistiken zu betrachten“, sagte Cahn.

Wenn das paritätsverletzende Signal echt ist, könnte es außerdem in anderen Daten als der Verteilung von Galaxien auftauchen. Das älteste Licht am Himmel zum Beispiel – ein Strahlungsbad, das als kosmischer Mikrowellenhintergrund bekannt ist und aus dem frühen Universum übrig geblieben ist – liefert unsere früheste Momentaufnahme räumlicher Variationen im Kosmos. Das gesprenkelte Muster dieses Lichts sollte die gleichen paritätsverletzenden Korrelationen enthalten wie die später entstandenen Galaxien. Physiker sagen, dass es möglich sein sollte, ein solches Signal im Licht zu finden.

Ein weiterer Punkt, den man sich ansehen sollte, ist das Muster von Gravitationswellen, das möglicherweise während der Inflation erzeugt wurde, das als stochastischer Gravitationswellenhintergrund bezeichnet wird. Diese korkenzieherartigen Wellen im Raum-Zeit-Gefüge können rechts- oder linkshändig sein, und in einer paritätserhaltenden Welt würden sie gleiche Mengen von beiden enthalten. Wenn es Physikern also gelingt, diesen Hintergrund zu messen und festzustellen, dass Einhändigkeit bevorzugt wird, wäre dies eine eindeutige, unabhängige Überprüfung der paritätsverletzenden Physik im frühen Universum.

Während die Suche nach bestätigenden Beweisen beginnt, werden Theoretiker Inflationsmodelle untersuchen, die das Signal erzeugt haben könnten. Mit Giovanni Cabasse, ein theoretischer Physiker am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, nutzte Philcox kürzlich seine Messung dazu Testen Sie eine Reihe von Modellen, die die Parität verletzen der Inflation, einschließlich solcher vom Chern-Simons-Typ. (Sie können noch nicht mit Sicherheit sagen, welches Modell, wenn überhaupt, richtig ist.)

Alexander hat seine Bemühungen auch auf das Verständnis der Chern-Simons-Schwerkraft neu ausgerichtet. Mit Mitarbeitern wie Kamionkowski und Cyril Creque-Sarbinowski vom Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute hat Alexander begonnen, subtile Details darüber auszuarbeiten, wie die Schwerkraft von Chern-Simons im frühen Universum die Verteilung der heutigen Galaxien beeinflussen würde.

„Ich war so etwas wie der einsame Soldat, der dieses Zeug für eine Weile vorantreibt“, sagte er. „Es ist schön zu sehen, dass sich die Leute dafür interessieren.“

Anmerkung des Herausgebers: Das Flatiron Institute wird von der Simons Foundation finanziert, die auch dieses redaktionell unabhängige Magazin unterstützt. Darüber hinaus wird Oliver Philcox von der Simons Foundation gefördert.