Εισαγωγή
Οι φυσικοί πιστεύουν ότι έχουν εντοπίσει μια εντυπωσιακή ασυμμετρία στη διάταξη των γαλαξιών στον ουρανό. Εάν επιβεβαιωθεί, το εύρημα θα υποδείκνυε χαρακτηριστικά των άγνωστων θεμελιωδών νόμων που λειτουργούσαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης.
«Αν αυτό το αποτέλεσμα είναι πραγματικό, κάποιος θα πάρει βραβείο Νόμπελ», είπε Μαρκ Καμιονκόφσκι, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins που δεν συμμετείχε στην ανάλυση.
Σαν να έπαιζαν ένα κοσμικό παιχνίδι Connect the Dots, οι ερευνητές σχεδίασαν γραμμές ανάμεσα σε ομάδες τεσσάρων γαλαξιών, κατασκευάζοντας σχήματα με τέσσερις γωνίες που ονομάζονται τετράεδρα. Όταν κατασκεύασαν κάθε πιθανό τετράεδρο από έναν κατάλογο 1 εκατομμυρίου γαλαξιών, διαπίστωσαν ότι τα τετράεδρα με μονόδρομο προσανατολισμό υπερτερούν των κατοπτρικών εικόνων τους.
Ένας υπαινιγμός της ανισορροπίας μεταξύ των τετραέδρων και των κατοπτρικών εικόνων ήταν πρώτος αναφερθεί by Όλιβερ Φίλκοξ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια στη Νέα Υόρκη, σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Φυσική εξέταση D Τον Σεπτέμβριο. Σε μια ανεξάρτητη ανάλυση που διεξήχθη ταυτόχρονα, η οποία τώρα υποβάλλεται σε αξιολόγηση από ομοτίμους, Τζιαμίν Χου και Ζαχαρία Σλεπιάν του Πανεπιστημίου της Φλόριντα και Ρόμπερτ Καν του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley εντοπιστεί η ασυμμετρία με ένα επίπεδο στατιστικής βεβαιότητας που οι φυσικοί συνήθως θεωρούν οριστικό.
Αλλά με ένα τέτοιο υπερπαραγωγικό εύρημα - και αυτό που είναι ακόμα υπό εξέταση - οι ειδικοί λένε ότι απαιτείται προσοχή.
«Δεν υπάρχει προφανής λόγος ότι έκαναν λάθος», είπε Shaun Hotchkiss, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Όκλαντ. «Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν υπάρχει λάθος».
Η υποτιθέμενη ανισορροπία παραβιάζει μια συμμετρία που ονομάζεται «ισοτιμία», μια ισοδυναμία του αριστερού και του δεξιού. Εάν η παρατήρηση αντέχει στον έλεγχο, οι φυσικοί πιστεύουν ότι πρέπει να αντανακλά ένα άγνωστο συστατικό που παραβιάζει την ισοτιμία στην αρχέγονη διαδικασία που έσπειρε τους σπόρους όλης της δομής που αναπτύχθηκε στο σύμπαν μας.
«Είναι ένα απίστευτο αποτέλεσμα — πραγματικά εντυπωσιακό», είπε ο Kamionkowski. «Το πιστεύω; Θα περιμένω να γιορτάσω πραγματικά».
Αριστερόχειρας Σύμπαν
Η ισοτιμία ήταν κάποτε μια αγαπημένη συμμετρία της φυσικής. Αλλά τότε, το 1957, τα πειράματα πυρηνικής αποσύνθεσης του Κινεζοαμερικανού φυσικού Chien-Shiung Wu αποκάλυψε ότι το σύμπαν μας έχει πράγματι μια ελαφριά ευελιξία σε αυτό: τα υποατομικά σωματίδια που εμπλέκονται στην ασθενή πυρηνική δύναμη, η οποία προκαλεί πυρηνική διάσπαση, είναι πάντα μαγνητικά προσανατολισμένα προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτήν στην οποία κινούνται, έτσι ώστε να σπειροειδώνται όπως τα νήματα ενός αριστερού -βίδα με το χέρι. Τα σωματίδια καθρέφτη - αυτά όπως οι δεξιόστροφες βίδες - δεν αισθάνονται την ασθενή δύναμη.
Η αποκάλυψη του Γου ήταν συγκλονιστική. «Όλοι είμαστε μάλλον συγκλονισμένοι από τον θάνατο του πολυαγαπημένου μας φίλου, της ισοτιμίας», έγραψε ο φυσικός Τζον Μπλατ σε επιστολή του προς τον Βόλφγκανγκ Πάουλι.
Ο αριστερόχειρας της αδύναμης δύναμης έχει ανεπαίσθητα αποτελέσματα που δεν θα μπορούσαν να έχουν επηρεάσει τον κόσμο σε γαλαξιακή κλίμακα. Αλλά από τότε που ανακάλυψε ο Γου, οι φυσικοί αναζήτησαν άλλους τρόπους με τους οποίους το σύμπαν διαφέρει από την κατοπτρική του εικόνα.
Εάν, για παράδειγμα, κάποια αρχέγονη παραβίαση ισοτιμίας ίσχυε όταν το σύμπαν ήταν στα σπάργανα, θα μπορούσε να είχε αποτυπώσει μια συστροφή στη δομή του σύμπαντος.
Κατά ή κοντά στη στιγμή της γέννησης του σύμπαντος, ένα πεδίο γνωστό ως inflaton πιστεύεται ότι έχει διαποτίσει το διάστημα. Ένα μέσο που κυλούσε, που βράζει, όπου τα σωματίδια φουσκώματος συνεχώς αναβλύζονταν και εξαφανίζονταν, το πεδίο φουσκώματος ήταν επίσης απωθητικό. για το σύντομο χρονικό διάστημα που μπορεί να υπήρχε, θα είχε κάνει το σύμπαν μας να διαστέλλεται γρήγορα σε 100 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές το αρχικό του μέγεθος. Όλες αυτές οι κβαντικές διακυμάνσεις των σωματιδίων στο πεδίο φουσκώματος εκτοξεύτηκαν προς τα έξω και παγώθηκαν στο σύμπαν, μετατρέποντας σε παραλλαγές στην πυκνότητα της ύλης. Οι πυκνότεροι θύλακες συνέχισαν να συνενώνονται βαρυτικά για να παράγουν τους γαλαξίες και τη δομή μεγάλης κλίμακας που βλέπουμε σήμερα.
Το 1999, ερευνητές συμπεριλαμβανομένου του Kamionkowski θεωρούνται τι θα συνέβαινε αν υπήρχαν περισσότερα από ένα πεδία πριν από αυτή την έκρηξη. Το πεδίο inflaton θα μπορούσε να έχει αλληλεπιδράσει με ένα άλλο πεδίο που θα μπορούσε να παράγει δεξιόχειρα και αριστερόχειρα σωματίδια. Εάν το inflaton αντιμετώπιζε τα δεξιόχειρα σωματίδια διαφορετικά από τα αριστερόχειρα, τότε θα μπορούσε κατά προτίμηση να είχε δημιουργήσει σωματίδια του ενός χεριού έναντι του άλλου. Αυτή η αποκαλούμενη σύζευξη Chern-Simons θα είχε εμποτίσει τις πρώιμες κβαντικές διακυμάνσεις με μια προτιμώμενη δοτικότητα, η οποία θα είχε εξελιχθεί σε μια ανισορροπία αριστερόστροφων και δεξιόχειρων τετραεδρικών διατάξεων γαλαξιών.
Όσο για το ποιο μπορεί να είναι το πρόσθετο πεδίο, μια πιθανότητα είναι το βαρυτικό πεδίο. Σε αυτό το σενάριο, μια αλληλεπίδραση Chern-Simons που παραβιάζει την ισοτιμία θα προέκυπτε μεταξύ σωματιδίων inflaton και γκραβιτόνια - οι κβαντικές μονάδες βαρύτητας - που θα είχαν εμφανιστεί στο βαρυτικό πεδίο κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Μια τέτοια αλληλεπίδραση θα είχε δημιουργήσει μια ευαισθησία στις παραλλαγές της πυκνότητας του πρώιμου σύμπαντος και, κατά συνέπεια, στη σημερινή δομή μεγάλης κλίμακας.
Εισαγωγή
Σε 2006, Στέφανος Αλέξανδρος, φυσικός τώρα στο Πανεπιστήμιο Μπράουν, πρότειναν ότι η βαρύτητα Chern-Simons θα μπορούσε επίσης να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην κοσμολογία: γιατί το σύμπαν μας περιέχει περισσότερη ύλη παρά αντιύλη. Υπέθεσε ότι η αλληλεπίδραση Chern-Simons θα μπορούσε να είχε αποδώσει μια σχετική αφθονία αριστερόστροφων γραβιτονίων, τα οποία με τη σειρά τους θα δημιουργούσαν κατά προτίμηση αριστερόστροφη ύλη έναντι δεξιόστροφης αντιύλης.
Η ιδέα του Αλέξανδρου παρέμεινε σχετικά ασαφής για χρόνια. Όταν άκουσε για τα νέα ευρήματα, είπε, «ήταν μια μεγάλη έκπληξη».
Τετράεδρα στον ουρανό
Ο Cahn θεώρησε ότι η πιθανότητα επίλυσης του παζλ ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης με παραβίαση ισοτιμίας στο πρώιμο σύμπαν ήταν «εικονική, αλλά και προκλητική». Το 2019, αποφάσισε να αναζητήσει παραβίαση ισοτιμίας σε έναν κατάλογο γαλαξιών στο Sloan Digital Sky Survey. Δεν περίμενε να βρει τίποτα, αλλά σκέφτηκε ότι θα άξιζε τον έλεγχο.
Για να ελέγξουν εάν η κατανομή των γαλαξιών σέβεται ή παραβιάζει την ισοτιμία, αυτός και οι συνεργάτες του γνώριζαν ότι έπρεπε να μελετήσουν τις τετραεδρικές διατάξεις τεσσάρων γαλαξιών. Αυτό συμβαίνει επειδή το τετράεδρο είναι το απλούστερο τρισδιάστατο σχήμα και μόνο τα τρισδιάστατα αντικείμενα έχουν πιθανότητα να παραβιάσουν την ισοτιμία. Για να το καταλάβετε αυτό, σκεφτείτε τα χέρια σας. Επειδή τα χέρια είναι 3D, δεν υπάρχει τρόπος να περιστρέψετε ένα αριστερό για να μοιάζει με το δεξί. Γυρίστε το αριστερό σας χέρι, έτσι ώστε οι αντίχειρες και των δύο χεριών να είναι στα αριστερά και τα χέρια σας να φαίνονται ακόμα διαφορετικά — οι παλάμες να βλέπουν αντίθετα. Αντίθετα, εάν χαράξετε ένα αριστερό χέρι σε ένα φύλλο χαρτιού και κόψετε τη δισδιάστατη εικόνα, η ανατροπή της αποκοπής θα την κάνει να μοιάζει με δεξί χέρι. Η αποκοπή και η κατοπτρική του εικόνα δεν διακρίνονται.
Το 2020, ο Slepian και ο Cahn βρήκαν έναν τρόπο να ορίσουν την «χεριά» μιας τετραεδρικής διάταξης γαλαξιών προκειμένου να συγκρίνουν τον αριθμό των αριστερόχειρων και των δεξιόχειρων στον ουρανό. Πρώτα πήραν έναν γαλαξία και κοίταξαν τις αποστάσεις από τρεις άλλους γαλαξίες. Αν οι αποστάσεις αυξάνονταν κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού σαν δεξιόστροφη βίδα, έλεγαν το τετράεδρο δεξιόστροφο. Αν οι αποστάσεις αυξάνονταν αριστερόστροφα, ήταν αριστερόστροφο.
Για να προσδιορίσουν εάν το σύμπαν στο σύνολό του έχει μια προτιμώμενη ικανότητα χειρισμού, έπρεπε να επαναλάβουν την ανάλυση για όλα τα τετράεδρα που κατασκευάστηκαν από τη βάση δεδομένων τους με 1 εκατομμύριο γαλαξίες. Υπάρχουν σχεδόν 1 τρισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια τέτοια τετράεδρα - μια δύσκολη λίστα που πρέπει να χειριστεί κανείς ένα κάθε φορά. Αλλά αναπτύχθηκε ένα τέχνασμα factoring προηγούμενη δουλειά σε ένα διαφορετικό πρόβλημα επέτρεψε στους ερευνητές να εξετάσουν την ισοτιμία των τετραέδρων πιο ολιστικά: Αντί να συναρμολογούν ένα τετράεδρο κάθε φορά και να προσδιορίζουν την ισοτιμία του, μπορούσαν να πάρουν κάθε γαλαξία με τη σειρά και να ομαδοποιήσουν όλους τους άλλους γαλαξίες ανάλογα με τις αποστάσεις τους από αυτόν τον γαλαξία. δημιουργώντας στρώσεις σαν τις στρώσεις ενός κρεμμυδιού. Εκφράζοντας τις σχετικές θέσεις των γαλαξιών σε κάθε στρώμα με όρους μαθηματικών συναρτήσεων γωνιών που ονομάζονται σφαιρικές αρμονικές, μπορούσαν να συνδυάσουν συστηματικά σύνολα τριών στρωμάτων για να δημιουργήσουν συλλογικά τετράεδρα.
Στη συνέχεια οι ερευνητές συνέκριναν τα αποτελέσματα με τις προσδοκίες τους με βάση τους νόμους της φυσικής που διατηρούν την ισοτιμία. Ο Χου ηγήθηκε αυτού του βήματος, αναλύοντας ψεύτικους καταλόγους γαλαξιών που είχαν δημιουργηθεί με την προσομοίωση της εξέλιξης του σύμπαντος ξεκινώντας από μικροσκοπικές παραλλαγές πυκνότητας που διατηρούν την ισοτιμία. Από αυτούς τους εικονικούς καταλόγους, η Hou και οι συνάδελφοί της θα μπορούσαν να προσδιορίσουν πώς ο αριθμός των αριστερόχειρων και δεξιόχειρων τετραέδρων ποικίλλει τυχαία, ακόμη και σε έναν κόσμο συμμετρικό με τον καθρέφτη.
Η ομάδα βρήκε ένα επίπεδο παραβίασης ισοτιμίας «επτά σίγμα» στα πραγματικά δεδομένα, που σημαίνει ότι η ανισορροπία μεταξύ αριστερόστροφων και δεξιόχειρων τετραέδρων ήταν επτά φορές μεγαλύτερη από ό,τι θα μπορούσε να αναμενόταν από την τυχαία πιθανότητα και άλλες πιθανές πηγές λάθους.
Ο Kamionkowski το χαρακτήρισε «απίστευτο ότι κατάφεραν να το κάνουν αυτό», προσθέτοντας ότι «τεχνικά, είναι απολύτως εκπληκτικό. Είναι μια πραγματικά, πραγματικά, πολύ περίπλοκη ανάλυση».
Ο Philcox χρησιμοποίησε παρόμοιες μεθόδους (και είχε συν-συγγράψει κάποιες προηγούμενες εργασίες που πρότειναν μια τέτοια ανάλυση με τους Hou, Slepian και Cahn), αλλά έκανε κάποιες διαφορετικές επιλογές - για παράδειγμα, ομαδοποιώντας τους γαλαξίες σε λιγότερα στρώματα από τον Hou και τους συναδέλφους του και παραλείποντας κάποια προβληματικά τετράεδρα από την ανάλυση — και ως εκ τούτου βρέθηκε μια πιο μέτρια παραβίαση της ισοτιμίας 2.9 σίγμα. Οι ερευνητές τώρα μελετούν τις διαφορές μεταξύ των αναλύσεών τους. Ακόμη και μετά από εκτεταμένες προσπάθειες για την κατανόηση των δεδομένων, όλα τα μέρη παραμένουν επιφυλακτικά.
Επιβεβαιωτικά Στοιχεία
Το εκπληκτικό εύρημα υποδεικνύει νέα φυσική που θα μπορούσε ενδεχομένως να απαντήσει σε μακροχρόνιες ερωτήσεις σχετικά με το σύμπαν. Αλλά το έργο μόλις ξεκίνησε.
Πρώτα οι φυσικοί πρέπει να επαληθεύσουν (ή να παραποιήσουν) την παρατήρηση. Νέες, φιλόδοξες έρευνες γαλαξιών για την επανάληψη της ανάλυσης βρίσκονται ήδη σε εξέλιξη. Η τρέχουσα έρευνα Φασματοσκοπικού Οργάνου Σκοτεινής Ενέργειας, για παράδειγμα, έχει καταγράψει 14 εκατομμύρια γαλαξίες μέχρι στιγμής και θα περιέχει περισσότερους από 30 εκατομμύρια όταν ολοκληρωθεί. «Αυτό θα μας δώσει την ευκαιρία να το δούμε με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια με πολύ καλύτερα στατιστικά στοιχεία», είπε ο Cahn.
Εισαγωγή
Επιπλέον, εάν το σήμα παραβίασης της ισοτιμίας είναι πραγματικό, θα μπορούσε να εμφανιστεί σε δεδομένα διαφορετικά από την κατανομή των γαλαξιών. Το παλαιότερο φως στον ουρανό, για παράδειγμα - ένα λουτρό ακτινοβολίας γνωστό ως κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, που έχει απομείνει από το πρώιμο σύμπαν - παρέχει την πρώτη μας φωτογραφία των χωρικών παραλλαγών στο σύμπαν. Το διακεκομμένο σχέδιο αυτού του φωτός θα πρέπει να περιέχει τους ίδιους συσχετισμούς που παραβιάζουν την ισοτιμία με τους γαλαξίες που σχηματίστηκαν αργότερα. Οι φυσικοί λένε ότι θα πρέπει να είναι δυνατό να βρεθεί ένα τέτοιο σήμα στο φως.
Ένα άλλο μέρος για να κοιτάξετε θα είναι το μοτίβο των βαρυτικών κυμάτων που μπορεί να έχουν δημιουργηθεί κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, που ονομάζεται φόντο στοχαστικών κυμάτων βαρύτητας. Αυτοί οι κυματισμοί που μοιάζουν με τιρμπουσόν στο χωροχρονικό ύφασμα μπορεί να είναι δεξιόχειρες ή αριστερόχειρες και σε έναν κόσμο που διατηρεί την ισοτιμία, θα περιέχει ίσες ποσότητες από το καθένα. Έτσι, εάν οι φυσικοί καταφέρουν να μετρήσουν αυτό το υπόβαθρο και διαπιστώσουν ότι ευνοείται το ένα χέρι, αυτό θα ήταν ένας ξεκάθαρος, ανεξάρτητος έλεγχος της φυσικής που παραβιάζει την ισοτιμία στο πρώιμο σύμπαν.
Καθώς ξεκινά η αναζήτηση για επιβεβαιωτικά στοιχεία, οι θεωρητικοί θα μελετήσουν μοντέλα πληθωρισμού που θα μπορούσαν να έχουν δώσει το σήμα. Με Τζιοβάνι Κάμπας, ένας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϋ, ο Philcox χρησιμοποίησε πρόσφατα τη μέτρησή του για να δοκιμάστε μια σειρά από μοντέλα που παραβιάζουν την ισοτιμία του πληθωρισμού, συμπεριλαμβανομένων εκείνων του τύπου Chern-Simons. (Δεν μπορούν ακόμα να πουν με βεβαιότητα ποιο μοντέλο, αν υπάρχει, είναι σωστό.)
Ο Αλέξανδρος έχει επίσης επικεντρώσει εκ νέου τις προσπάθειές του στην κατανόηση της βαρύτητας του Chern-Simons. Με συνεργάτες όπως ο Kamionkowski και Cyril Creque-Sarbinowski του Κέντρου Υπολογιστικής Αστροφυσικής του Ινστιτούτου Flatiron, ο Alexander έχει αρχίσει να επεξεργάζεται λεπτές λεπτομέρειες σχετικά με το πώς η βαρύτητα Chern-Simons στο πρώιμο σύμπαν θα επηρέαζε την κατανομή των σημερινών γαλαξιών.
«Ήμουν κάπως σαν τον μοναχικό στρατιώτη που σπρώχνει αυτά τα πράγματα για λίγο», είπε. «Είναι καλό να βλέπεις ανθρώπους να δείχνουν ενδιαφέρον».
Σημείωση συντάκτη: Το Ινστιτούτο Flatiron χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Simons, το οποίο υποστηρίζει επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό. Επιπλέον, ο Oliver Philcox λαμβάνει χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons.
