Sissejuhatus
Füüsikud usuvad, et nad on avastanud silmatorkava asümmeetria galaktikate paigutuses taevas. Kui see leiab kinnitust, osutab see Suure Paugu ajal kehtinud tundmatute põhiseaduste tunnustele.
"Kui see tulemus on tõeline, saab keegi Nobeli preemia," ütles Marc Kamionkowski, Johns Hopkinsi ülikooli füüsik, kes ei osalenud analüüsis.
Justkui mängiks kosmilist mängu Connect the Dots, tõmbasid teadlased jooned neljast galaktikast koosneva komplekti vahele, konstrueerides nelja nurgaga kujundeid, mida nimetatakse tetraeedriteks. Kui nad olid 1 miljoni galaktika kataloogist kõik võimalikud tetraeedrid ehitanud, leidsid nad, et ühel suunal orienteeritud tetraeedreid on rohkem kui nende peegelpilte.
Vihje tetraeedrite ja nende peegelpiltide tasakaalustamatusest oli esimene teatatud by Oliver Philcoxaastal avaldatud artiklis New Yorgi Columbia ülikooli astrofüüsik Füüsiline ülevaade D septembris. Samal ajal läbiviidud sõltumatus analüüsis, mis on praegu vastastikuse eksperdihinnangu all, Jiamin Hou ja Zachary Slepian Florida ülikoolist ja Robert Cahn Lawrence Berkeley riiklikust laborist tuvastatud asümmeetria statistilise kindluse tasemega, mida füüsikud peavad tavaliselt lõplikuks.
Kuid sellise kassahiti leidmisega – ja seda, mis on veel ülevaatamisel – on ekspertide sõnul ettevaatlik.
"Ei ole selget põhjust, miks nad on vea teinud," ütles Shaun Hotchkiss, Aucklandi ülikooli kosmoloog. "See ei tähenda, et viga poleks."
Oletatav tasakaalustamatus rikub sümmeetriat, mida nimetatakse "paarsuseks", vasaku ja parema võrdväärsuseks. Kui vaatlus talub kontrolli, arvavad füüsikud, et see peab peegeldama tundmatut, pariteeti rikkuvat koostisosa ürgses protsessis, mis külvas kogu meie universumis välja kujunenud struktuuri seemned.
"See on uskumatu tulemus - tõesti muljetavaldav," ütles Kamionkowski. "Kas ma usun seda? Ma jään ootama, et tõeliselt tähistada."
Vasakukäeline universum
Pariteet oli kunagi füüsika hinnatud sümmeetria. Kuid siis, 1957. aastal, katsetas Hiina Ameerika füüsik Chien-Shiung Wu tuuma lagunemise katseid. selgus et meie universumil on tõepoolest kerge käelisus: subatomaarsed osakesed, mis osalevad nõrgas tuumajõus, mis põhjustab tuuma lagunemist, on alati magnetiliselt orienteeritud suunas, milles nad liiguvad, nii et nad keerlevad spiraalselt nagu vasakpoolsed niidid. - käega kruvi. Peegelpildi osakesed — need nagu paremakäelised kruvid — ei tunne nõrka jõudu.
Wu ilmutus oli šokeeriv. "Meid kõiki raputab meie armastatud sõbra pariteedi surm," kirjutas füüsik John Blatt kirjas Wolfgang Paulile.
Nõrga jõu vasakukäelisusel on peen mõju, mis ei oleks saanud mõjutada kosmost galaktika skaalal. Kuid alates Wu avastamisest on füüsikud otsinud muid viise, kuidas universum erineb selle peegelpildist.
Kui näiteks universumi lapsekingades kehtis mõni ürgse pariteedi rikkumine, oleks see võinud kosmose struktuuris pöörde jäljendada.
Universumi sünniajal või selle lähedal arvatakse, et inflatsioonina tuntud väli tungis ruumi läbi. Keeruline, keev keskkond, kus inflatsiooniosakesed pidevalt mullitasid ja kadusid, inflatsiooniväli oli samuti vastumeelne; lühikese aja jooksul, mil see eksisteeris, oleks see põhjustanud meie universumi kiire paisumise 100 triljonit triljonit korda suuremaks kui selle algne suurus. Kõik need osakeste kvantkõikumised inflatsiooniväljas paiskusid väljapoole ja külmusid kosmosesse, muutudes aine tiheduse variatsioonideks. Tihedamad taskud jätkasid gravitatsioonilist ühinemist, et tekitada galaktikad ja laiaulatuslik struktuur, mida me täna näeme.
Aastal 1999, teadlased, sealhulgas Kamionkowski kaaluda mis juhtuks, kui enne seda plahvatust oleks kohal rohkem kui üks väli. Inflatsiooniväli oleks võinud suhelda teise väljaga, mis võis toota parema- ja vasakukäelisi osakesi. Kui inflaton kohtles paremakäelisi osakesi teisiti kui vasakukäelisi, võis ta eelistatavalt tekitada ühekäelisi osakesi teisele. See niinimetatud Chern-Simonsi side oleks mõjutanud varajased kvantkõikumised eelistatud käelisusega, mis oleks arenenud galaktikate vasaku- ja parempoolsete tetraeedriliste paigutuste tasakaalustamatuseni.
Mis puudutab lisavälja, siis üheks võimaluseks on gravitatsiooniväli. Selle stsenaariumi korral toimuks pariteeti rikkuv Chern-Simonsi interaktsioon inflatsiooniosakeste ja gravitonide - gravitatsiooni kvantühikute - vahel, mis oleksid inflatsiooni ajal gravitatsiooniväljas ilmunud. Selline interaktsioon oleks loonud käepärasuse varase universumi tiheduse variatsioonides ja järelikult ka tänapäevases suuremahulises struktuuris.
Sissejuhatus
Aastal 2006, Stephon Aleksander, füüsik praegu Browni ülikoolis, soovitas et Chern-Simonsi gravitatsioon võib potentsiaalselt lahendada ka ühe kosmoloogia suurimaid mõistatusi: miks meie universum sisaldab rohkem ainet kui antiainet. Ta oletas, et Chern-Simonsi interaktsioon võis anda vasakukäeliste gravitonide suhtelise arvukuse, mis omakorda tekitaks eelistatavalt vasakukäelise aine parempoolse antiaine asemel.
Aleksandri idee jäi aastateks suhteliselt hämaraks. Kui ta uutest leidudest kuulis, ütles ta: "See oli suur üllatus."
Tetraeedrid taevas
Cahn arvas, et võimalus lahendada mateeria ja antiaine asümmeetria mõistatus pariteedi rikkumisega varases universumis oli "spekulatiivne, kuid ka provokatiivne". 2019. aastal otsustas ta otsida Sloan Digital Sky Survey galaktikate kataloogist pariteedi rikkumist. Ta ei lootnud midagi leida, kuid arvas, et see oleks kontrollimist väärt.
Et kontrollida, kas galaktikate jaotus austab või rikub pariteeti, teadsid ta ja tema kaastöötajad, et neil on vaja uurida nelja galaktika tetraeedrilist paigutust. Seda seetõttu, et tetraeeder on lihtsaim kolmemõõtmeline kuju ja ainult 3D-objektidel on võimalus pariteeti rikkuda. Selle mõistmiseks kaaluge oma käsi. Kuna käed on 3D-kujulised, ei saa vasakut kätt pöörata nii, et see näeks välja nagu parem. Pöörake vasak käsi ümber nii, et mõlema käe pöidlad jääksid vasakule ja teie käed näeksid ikka teistsugused välja – peopesad on vastassuunas. Seevastu kui jälgite paberilehele vasakut kätt ja lõigate välja 2D-kujutise, näeb väljalõike ümberpööramine välja nagu parem käsi. Väljalõige ja selle peegelpilt on eristamatud.
2020. aastal leidsid Slepian ja Cahn välja viisi, kuidas määratleda galaktikate tetraeedrilise paigutuse "käelisus", et võrrelda vasaku- ja paremakäeliste arvu taevas. Kõigepealt võtsid nad galaktika ja vaatasid kaugusi kolme teise galaktika vahel. Kui kaugused suurenesid päripäeva nagu paremakäeline kruvi, nimetasid nad tetraeedrit parempoolseks. Kui vahemaad suurenesid vastupäeva liikudes, oli see vasakukäeline.
Et teha kindlaks, kas universumil tervikuna on eelistatud käelisus, pidid nad kordama kõigi tetraeedrite analüüsi, mis on konstrueeritud nende 1 miljonist galaktikast koosnevast andmebaasist. Selliseid tetraeedreid on peaaegu 1 triljon triljon – ükshaaval käsitletav loend on keeruline. Kuid faktooringu trikk arenes välja varasem töö Teise probleemi puhul võimaldas teadlastel vaadata tetraeedrite paarsust terviklikumalt: ühe tetraeedri korraga kokkupanemise ja selle paarsuse määramise asemel võiksid nad võtta iga galaktika kordamööda ja rühmitada kõik teised galaktikad vastavalt nende kaugustele sellest galaktikast. kihtide loomine nagu sibula kihid. Väljendades galaktikate suhtelisi asukohti igas kihis sfääriliste harmooniliste nurkade matemaatiliste funktsioonide kaudu, saaksid nad süstemaatiliselt kombineerida kolme kihi komplekte, et moodustada kollektiivsed tetraeedrid.
Seejärel võrdlesid teadlased tulemusi oma ootustega, mis põhinesid pariteedi säilitavatel füüsikaseadustel. Hou juhtis seda sammu, analüüsides galaktikate võltskatalooge, mis loodi universumi evolutsiooni simuleerimisel, alustades väikestest, paarsust säilitavatest tiheduse variatsioonidest. Nendest näidiskataloogidest said Hou ja tema kolleegid kindlaks teha, kuidas vasaku- ja paremakäeliste tetraeedrite suhe varieerub juhuslikult isegi peegelsümmeetrilises maailmas.
Meeskond leidis tegelikes andmetes "seitsme sigma" pariteedi rikkumise, mis tähendab, et vasaku- ja paremakäeliste tetraeedrite vaheline tasakaalustamatus oli seitse korda suurem, kui juhuslikust juhusest ja muudest mõeldavatest veaallikatest võiks eeldada.
Kamionkowski nimetas seda "uskumatuks, et nad suutsid seda teha", lisades, et "tehniliselt on see täiesti hämmastav. See on tõesti, tõesti, väga keeruline analüüs.
Philcox kasutas sarnaseid meetodeid (ja oli koos Hou, Slepiani ja Cahniga kaasautorites mõne varasema sellise analüüsi ettepaneku), kuid ta tegi mõned erinevad valikud – näiteks rühmitas galaktikad vähematesse kihtidesse kui Hou ja kolleegid ning jättis mõned problemaatilised välja. tetraeedrit analüüsist – ja seetõttu leiti tagasihoidlikum 2.9-sigmane pariteedi rikkumine. Teadlased uurivad nüüd nende analüüside erinevusi. Isegi pärast ulatuslikke jõupingutusi andmete mõistmiseks on kõik osapooled ettevaatlikud.
Kinnitavad tõendid
Üllatav leid vihjab uuele füüsikale, mis võiks potentsiaalselt vastata kauaaegsetele küsimustele universumi kohta. Kuid töö on alles alanud.
Kõigepealt peavad füüsikud vaatluse kontrollima (või võltsima). Uued ambitsioonikad galaktikauuringud, mille kohta analüüsi korrata, on juba käimas. Näiteks käimasolev Dark Energy Spectroscopic Instrumenti uuring on seni registreerinud 14 miljonit galaktikat ja selle lõppedes sisaldab see enam kui 30 miljonit. "See annab meile võimaluse vaadata seda palju üksikasjalikumalt ja palju parema statistikaga," ütles Cahn.
Sissejuhatus
Veelgi enam, kui pariteeti rikkuv signaal on tõeline, võib see ilmneda muudes andmetes kui galaktikate jaotus. Näiteks vanim valgus taevas – kiirgusvann, mida tuntakse kosmilise mikrolaine taustana ja mis oli alles jäänud varasest universumist – annab meie varaseima ülevaate kosmose ruumilistest variatsioonidest. Selle valguse laiguline muster peaks sisaldama samu pariteeti rikkuvaid korrelatsioone nagu hiljem tekkinud galaktikad. Füüsikud ütlevad, et sellist signaali peaks olema võimalik valguses leida.
Teine koht, mida vaadata, on gravitatsioonilainete muster, mis võis tekkida inflatsiooni ajal, mida nimetatakse stohhastiliseks gravitatsioonilaine taustaks. Need korgitseritaolised lainetused aegruumi kangas võivad olla parema- või vasakukäelised ning pariteedi säilitavas maailmas sisaldaksid need mõlemat võrdses koguses. Nii et kui füüsikutel õnnestub seda tausta mõõta ja avastatakse, et eelistatakse ühekäelisust, oleks see varajases universumis pariteeti rikkuva füüsika ühemõtteline ja sõltumatu kontroll.
Kui alustatakse kinnitavate tõendite otsimist, uurivad teoreetikud inflatsioonimudeleid, mis oleksid võinud signaali tekitada. Koos Giovanni Cabass, New Jersey osariigis Princetonis asuva Kõrgkoolide Instituudi teoreetiline füüsik, Philcox kasutas hiljuti oma mõõtmist, et katsetada hulga pariteeti rikkuvaid mudeleid inflatsiooni, sealhulgas Chern-Simonsi tüüpi omad. (Nad ei saa veel kindlalt öelda, milline mudel, kui üldse, on õige.)
Samuti on Aleksander suunanud oma jõupingutused Chern-Simonsi gravitatsiooni mõistmisele. Kaastöötajatega, sealhulgas Kamionkowski ja Cyril Creque-Sarbinowski Flatironi Instituudi arvutusliku astrofüüsika keskusest on Alexander hakanud välja töötama peeneid üksikasju selle kohta, kuidas Chern-Simonsi gravitatsioon varases universumis mõjutaks tänapäeva galaktikate levikut.
"Ma olin nagu üksik sõdur, kes mõnda aega seda kraami lükkas," ütles ta. "Tore on näha, et inimesed tunnevad huvi."
Toimetaja märkus: Flatiron Institute'i rahastab Simonsi fond, mis toetab ka seda toimetuslikult sõltumatut ajakirja. Lisaks saab Oliver Philcox raha Simonsi fondilt.
