عدم تقارن در توزیع کهکشان ها کشف شد

فیزیکدانان بر این باورند که عدم تقارن قابل توجهی را در آرایش کهکشان ها در آسمان شناسایی کرده اند. اگر این یافته تایید شود، به ویژگی‌های قوانین بنیادی ناشناخته‌ای اشاره می‌کند که در طول انفجار بزرگ عمل می‌کردند.

گفت: "اگر این نتیجه واقعی باشد، کسی جایزه نوبل می گیرد." مارک کامیونکوفسکی، فیزیکدان دانشگاه جانز هاپکینز که در آنالیز دخالتی نداشت.

گویی در حال انجام یک بازی کیهانی Connect the Dots بودند، محققان خطوطی را بین مجموعه‌های چهار کهکشانی ترسیم کردند و اشکال چهار گوشه‌ای به نام چهار وجهی ساختند. هنگامی که آنها هر چهار وجهی ممکن را از فهرستی از 1 میلیون کهکشان ساختند، دریافتند که چهاروجهی یک طرفه از تعداد تصاویر آینه ای آنها بیشتر است.

ابتدا اشاره ای به عدم تعادل بین چهار وجهی و تصاویر آینه ای آنها بود گزارش by الیور فیلکاکساخترفیزیکدان دانشگاه کلمبیا در نیویورک، در مقاله ای که در بررسی فیزیکی D در سپتامبر. در یک تحلیل مستقل که به طور همزمان انجام شد و اکنون در حال بررسی همتایان است، جیامین هو و زاخاری اسلپیان از دانشگاه فلوریدا و رابرت کان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی شناسایی شده عدم تقارن با سطحی از قطعیت آماری که فیزیکدانان معمولاً آن را قطعی می دانند.

اما با وجود چنین یافته‌های پرفروشی - که هنوز در دست بررسی است - کارشناسان می‌گویند احتیاط لازم است.

گفت: "هیچ دلیل واضحی وجود ندارد که آنها مرتکب اشتباه شده اند." شان هوچکیس، کیهان شناس دانشگاه اوکلند. "این به این معنی نیست که اشتباهی وجود ندارد."

عدم تعادل فرضی تقارنی به نام «برابری»، معادل چپ و راست را نقض می‌کند. اگر این مشاهدات در برابر موشکافی مقاومت کند، فیزیکدانان فکر می کنند که باید یک عنصر ناشناخته و ناقض برابری را در فرآیند اولیه که بذر تمام ساختاری را که در جهان ما ایجاد شده است، منعکس کند.

Kamionkowski گفت: "این یک نتیجه باورنکردنی است - واقعاً چشمگیر." «باورش کنم؟ من منتظرم تا واقعا جشن بگیرم.»

کیهان چپ دست

برابری زمانی تقارن ارزشمند فیزیک بود. اما پس از آن، در سال 1957، فیزیکدان چینی آمریکایی، چین شیونگ وو، آزمایشات فروپاشی هسته ای را انجام داد. نشان داد که جهان ما واقعاً دارای قدرت کمی است: ذرات زیر اتمی درگیر در نیروی هسته‌ای ضعیف، که باعث فروپاشی هسته‌ای می‌شود، همیشه مغناطیسی در جهت مخالف جهت حرکت خود قرار دارند، به طوری که مانند رشته‌های سمت چپ مارپیچی می‌شوند. پیچ دستی ذرات آینه ای - آنهایی که مانند پیچ ​​های راست دست هستند - نیروی ضعیفی را احساس نمی کنند.

افشاگری وو تکان دهنده بود. جان بلات، فیزیکدان، در نامه ای به ولفگانگ پائولی نوشت: «همه ما از مرگ دوست محبوبمان، برابری، متزلزل شده ایم.

چپ دستی نیروی ضعیف اثرات ظریفی دارد که نمی‌توانست بر کیهان در مقیاس کهکشانی تأثیر بگذارد. اما از زمان کشف وو، فیزیکدانان به دنبال راه‌های دیگری برای تفاوت جهان با تصویر آینه‌ای خود بوده‌اند.

به عنوان مثال، اگر زمانی که جهان در مراحل ابتدایی خود بود، برخی نقض برابری اولیه اعمال می شد، ممکن بود پیچشی بر ساختار کیهان حک شود.

تصور می شود که در زمان تولد کیهان یا نزدیک به آن، میدانی به نام انفلاتون در فضا نفوذ کرده است. یک محیط جوشان و جوشان که در آن ذرات انفلاتون مدام حباب می زدند و ناپدید می شدند، میدان انفلاتون نیز دافعه بود. برای مدت کوتاهی که ممکن بود وجود داشته باشد، باعث می شد جهان ما به سرعت به 100 تریلیون تریلیون برابر اندازه اصلی خود منبسط شود. تمام آن نوسانات کوانتومی ذرات در میدان انفلاتون به بیرون پرتاب شدند و به کیهان منجمد شدند و به تغییراتی در چگالی ماده تبدیل شدند. محفظه‌های متراکم‌تر همچنان به صورت گرانشی به هم می‌پیوندند تا کهکشان‌ها و ساختار در مقیاس بزرگی را که امروز می‌بینیم، تولید کنند.

در سال 1999، محققانی از جمله Kamionkowski در نظر گرفته اگر قبل از این انفجار بیش از یک میدان وجود داشته باشد چه اتفاقی می افتد؟ میدان انفلاتون می‌توانست با میدان دیگری که می‌تواند ذرات راست‌دست و چپ‌دست را تولید کند، تعامل داشته باشد. اگر اینفلاتون با ذرات راست دست متفاوت از ذرات چپ دست رفتار می کرد، ترجیحاً می توانست ذرات یک دست را نسبت به دیگری ایجاد کند. این به اصطلاح جفت چرن-سیمون نوسانات کوانتومی اولیه را با دستی ترجیحی آغشته می کرد، که به عدم تعادل آرایش چهار وجهی چپ و راست کهکشان ها تبدیل می شد.

در مورد اینکه میدان اضافی ممکن است چه باشد، یک احتمال، میدان گرانشی است. در این سناریو، یک برهمکنش چرن-سایمونز ناقض برابری بین ذرات انفلاتون و گراویتون - واحدهای کوانتومی گرانش - که در حین تورم در میدان گرانشی ظاهر می‌شوند، رخ می‌دهد. چنین کنش متقابلی در تغییرات چگالی کیهان اولیه و در نتیجه در ساختار مقیاس بزرگ امروزی ایجاد می کرد.

در 2006، استیون الکساندر، یک فیزیکدان در حال حاضر در دانشگاه براون، پیشنهاد گرانش چرن-سیمون می‌تواند به طور بالقوه یکی از بزرگترین رازهای کیهان‌شناسی را حل کند: چرا جهان ما حاوی ماده بیش‌تری نسبت به پادماده است. او حدس زد که برهم‌کنش چرن-سایمونز می‌توانست مقدار نسبی گراویتون‌های چپ‌دست را ایجاد کند که به نوبه خود ترجیحاً ماده چپ‌دست را نسبت به پادماده راست‌دست ایجاد می‌کند.

ایده اسکندر برای سال ها نسبتاً مبهم باقی ماند. هنگامی که او در مورد یافته های جدید شنید، گفت: "این یک شگفتی بزرگ بود."

چهار وجهی در آسمان

کان فکر می‌کرد که امکان حل معمای عدم تقارن ماده-ضد ماده با نقض برابری در کیهان اولیه، «احتماعی، بلکه تحریک‌آمیز» بود. در سال 2019، او تصمیم گرفت به دنبال نقض برابری در فهرستی از کهکشان‌ها در بررسی آسمان دیجیتال اسلون باشد. او انتظار نداشت چیزی پیدا کند اما فکر می کرد ارزش چک کردن را دارد.

برای آزمایش اینکه آیا توزیع کهکشان به برابری احترام می گذارد یا نقض می کند، او و همکارانش می دانستند که باید آرایش چهار وجهی چهار کهکشان را مطالعه کنند. این به این دلیل است که چهار وجهی ساده ترین شکل سه بعدی است و فقط اشیاء سه بعدی شانسی برای نقض برابری دارند. برای درک این موضوع، دستان خود را در نظر بگیرید. از آنجایی که عقربه ها سه بعدی هستند، هیچ راهی برای چرخاندن یک عقربه به سمت چپ وجود ندارد تا شبیه دست راست شود. دست چپ خود را طوری برگردانید که شست هر دو دست در سمت چپ باشد و دستان شما همچنان متفاوت به نظر برسند - کف دست ها در جهت مخالف قرار دارند. در مقابل، اگر یک دست چپ را روی یک ورق کاغذ ردیابی کنید و تصویر دوبعدی را برش دهید، چرخاندن برش آن را شبیه دست راست می‌کند. بریدگی و تصویر آینه آن قابل تشخیص نیستند.

در سال 2020، اسلپیان و کان راهی برای تعریف «دست بودن» آرایش چهار وجهی کهکشان‌ها به منظور مقایسه تعداد کهکشان‌های چپ‌دست و راست‌دست در آسمان ارائه کردند. ابتدا یک کهکشان را گرفتند و به فاصله سه کهکشان دیگر نگاه کردند. اگر فاصله ها در جهت عقربه های ساعت مانند یک پیچ راست دست افزایش می یافت، چهار وجهی را راست دست می نامیدند. اگر فاصله ها در خلاف جهت عقربه های ساعت افزایش می یافت، چپ دست بود.

برای تعیین اینکه آیا جهان به عنوان یک کل دارای یک دست ترجیحی است، آنها مجبور شدند آنالیز را برای همه چهاروجهی‌های ساخته شده از پایگاه داده 1 میلیون کهکشانی خود تکرار کنند. نزدیک به 1 تریلیون تریلیون این چهار ضلعی وجود دارد - فهرستی غیرقابل حل که باید هر بار یکی از آنها را مدیریت کرد. اما یک ترفند فاکتورسازی توسعه یافت کار قبلی در یک مسئله متفاوت به محققان اجازه داد تا به برابری چهار وجهی به طور کل نگر نگاه کنند: به جای اینکه یک چهار وجهی را در یک زمان جمع کنند و برابری آن را تعیین کنند، می توانند هر کهکشان را به نوبه خود گرفته و همه کهکشان های دیگر را بر اساس فاصله آنها از آن کهکشان گروه بندی کنند. ایجاد لایه هایی مانند لایه های پیاز. با بیان موقعیت های نسبی کهکشان ها در هر لایه بر حسب توابع ریاضی زوایای به نام هارمونیک کروی، آنها می توانند به طور سیستماتیک مجموعه های سه لایه را برای ایجاد چهار وجهی جمعی ترکیب کنند.

سپس محققان نتایج را با انتظارات خود بر اساس قوانین فیزیک حفظ برابری مقایسه کردند. هو این مرحله را رهبری کرد و کاتالوگ های جعلی کهکشان هایی را که با شبیه سازی تکامل کیهان با شروع تغییرات چگالی کوچک و حفظ برابری ایجاد شده بودند، تجزیه و تحلیل کرد. از این کاتالوگ های ساختگی، هو و همکارانش می توانند تعیین کنند که چگونه تعداد چهار وجهی چپ و راست دست به طور تصادفی تغییر می کند، حتی در دنیای متقارن آینه ای.

تیم یک سطح «هفت سیگما» از نقض برابری در داده‌های واقعی پیدا کرد، به این معنی که عدم تعادل بین چهار وجهی چپ و راست دست هفت برابر بزرگ‌تر از آن چیزی است که از شانس تصادفی و سایر منابع خطای قابل تصور انتظار می‌رفت.

کامیونکوفسکی آن را "باورنکردنی" خواند که آنها توانستند این کار را انجام دهند، و افزود که "از نظر فنی، کاملاً شگفت‌انگیز است. این یک تحلیل واقعاً، واقعاً، واقعاً پیچیده است.»

فیلکاکس از روش‌های مشابهی استفاده کرد (و با همکاری هو، اسلپیان و کان در مقالات قبلی که چنین تحلیلی را پیشنهاد می‌کردند) استفاده کرده بود، اما او انتخاب‌های متفاوتی انجام داد - برای مثال، گروه‌بندی کهکشان‌ها در لایه‌های کمتری نسبت به هو و همکارانش، و حذف برخی مشکلات چهار وجهی از تجزیه و تحلیل - و بنابراین یک نقض متوسط ​​2.9 سیگما از برابری پیدا کرد. محققان اکنون در حال بررسی تفاوت های بین تحلیل های خود هستند. حتی پس از تلاش‌های گسترده برای درک داده‌ها، همه طرف‌ها محتاط هستند.

شواهد تایید کننده

این یافته شگفت‌انگیز به فیزیک جدیدی اشاره می‌کند که به طور بالقوه می‌تواند به سؤالات دیرینه درباره جهان پاسخ دهد. اما کار تازه شروع شده است.

ابتدا فیزیکدانان باید مشاهدات را تأیید کنند (یا جعل کنند). بررسی‌های جدید و بلندپروازانه کهکشانی که برای تکرار آنالیز در حال انجام است. به عنوان مثال، بررسی مداوم ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک، تاکنون 14 میلیون کهکشان را ثبت کرده است و پس از تکمیل، بیش از 30 میلیون کهکشان را شامل می‌شود. کان گفت: "این به ما فرصتی می دهد تا با جزئیات بسیار بیشتر و با آمارهای بسیار بهتر به این موضوع نگاه کنیم."

علاوه بر این، اگر سیگنال نقض برابری واقعی باشد، می‌تواند در داده‌هایی غیر از توزیع کهکشان‌ها نشان داده شود. به عنوان مثال، قدیمی ترین نور در آسمان - یک حمام تشعشعی که به عنوان پس زمینه مایکروویو کیهانی شناخته می شود، که از کیهان اولیه باقی مانده است - اولین تصویر فوری ما از تغییرات فضایی در کیهان را ارائه می دهد. الگوی فرورفته این نور باید حاوی همان همبستگی های ناقض برابری باشد که کهکشان هایی که بعداً شکل گرفتند. فیزیکدانان می گویند که باید بتوان چنین سیگنالی را در نور پیدا کرد.

مکان دیگری که باید به آن نگاه کرد، الگوی امواج گرانشی است که ممکن است در طول تورم ایجاد شده باشد، به نام پس‌زمینه موج گرانشی تصادفی. این موج های چوب پنبه مانند در پارچه فضا-زمان می توانند راست دست یا چپ باشند و در دنیایی که برابری را حفظ می کنند، مقادیر مساوی از هر کدام را شامل می شوند. بنابراین اگر فیزیکدانان موفق به اندازه‌گیری این پیشینه شوند و متوجه شوند که یک دستی مورد علاقه است، این یک بررسی مستقل و بدون ابهام از فیزیک ناقض برابری در جهان اولیه خواهد بود.

همانطور که جستجو برای شواهد تایید کننده آغاز می شود، نظریه پردازان مدل هایی از تورم را مطالعه خواهند کرد که می توانستند این سیگنال را ایجاد کنند. با جیووانی کاباسیک فیزیکدان نظری در موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، نیوجرسی، فیلکاکس اخیراً از اندازه گیری خود برای مجموعه ای از مدل های نقض برابری را آزمایش کنید تورم، از جمله تورم از نوع Chern-Simons. (آنها هنوز نمی توانند با قطعیت بگویند که کدام مدل، در صورت وجود، صحیح است.)

اسکندر همچنین تلاش های خود را بر درک گرانش چرن-سایمونز متمرکز کرده است. با همکارانی از جمله Kamionkowski و سیریل کرک-ساربینوفسکی الکساندر از مرکز اخترفیزیک محاسباتی مؤسسه Flatiron، شروع به بررسی جزئیات ظریف در مورد اینکه چگونه گرانش Chern-Simons در کیهان اولیه می‌تواند بر توزیع کهکشان‌های امروزی تأثیر بگذارد، کرده است.

او گفت: «من به نوعی شبیه سرباز تنها بودم که این چیزها را برای مدتی هل می داد. "خوب است که می بینیم مردم علاقه مند هستند."

یادداشت سردبیر: مؤسسه Flatiron توسط بنیاد سیمونز تأمین مالی می شود که از این مجله مستقل نیز پشتیبانی می کند. علاوه بر این، الیور فیلکاکس از بنیاد سیمونز کمک مالی دریافت می کند.