esittely
Fyysikot uskovat havainneensa silmiinpistävää epäsymmetriaa galaksien järjestelyissä taivaalla. Jos löytö vahvistetaan, se viittaa alkuräjähdyksen aikana toimineiden tuntemattomien peruslakien piirteisiin.
"Jos tämä tulos on todellinen, joku saa Nobel-palkinnon", sanoi Marc Kamionkowski, Johns Hopkinsin yliopiston fyysikko, joka ei ollut mukana analyysissä.
Ikään kuin pelasivat kosmista Connect the Dots -peliä, tutkijat piirsivät viivoja neljän galaksin joukkojen välille ja rakensivat nelikulmaisia muotoja, joita kutsutaan tetraedreiksi. Kun he olivat rakentaneet kaikki mahdolliset tetraedrit miljoonan galaksin luettelosta, he havaitsivat, että yhteen suuntaan suuntautuneita tetraedreita on enemmän kuin heidän peilikuviaan.
Vihje tetraedrien ja niiden peilikuvien välisestä epätasapainosta oli ensimmäinen raportoitu by Oliver Philcox, astrofyysikko Columbian yliopistosta New Yorkissa, vuonna julkaistussa artikkelissa Fyysinen arviointi D syyskuussa. Samanaikaisesti tehdyssä riippumattomassa analyysissä, joka on nyt vertaisarvioinnin kohteena, Jiamin Hou ja Zachary Slepian Floridan yliopistosta ja Robert Cahn Lawrence Berkeley National Laboratorysta havaittu epäsymmetria tilastollisen varmuuden tasolla, jota fyysikot yleensä pitävät lopullisena.
Asiantuntijat sanovat kuitenkin, että tällaisen menestyslöydön – ja vielä tarkastelun alla olevan – perusteella on syytä olla varovainen.
"Ei ole selvää syytä, miksi he olisivat tehneet virheen", sanoi Shaun Hotchkiss, kosmologi Aucklandin yliopistosta. "Se ei tarkoita, etteikö virhettä olisi."
Oletettu epätasapaino rikkoo "pariteetiksi" kutsuttua symmetriaa, joka vastaa vasemman ja oikean vastinetta. Jos havainto kestää tarkastelun, fyysikot ajattelevat, että sen on heijastettava tuntematonta, pariteettia rikkovaa ainesosaa alkuprosessissa, joka kylvi kaiken universumissamme kehittyneen rakenteen siemenet.
"Se on uskomaton tulos - todella vaikuttava", Kamionkowski sanoi. "Uskonko minä sen? Odotan, että pääsen todella juhlimaan."
Vasenkätinen universumi
Pariteetti oli kerran vaalittu fysiikan symmetria. Mutta sitten vuonna 1957 kiinalaisen amerikkalaisen fyysikon Chien-Shiung Wun ydinhajoamiskokeet paljasti että maailmankaikkeudellamme on todellakin pieni kädenjälki: Subatomiset hiukkaset, jotka osallistuvat heikon ydinvoimaan, joka aiheuttaa ytimen hajoamisen, ovat aina magneettisesti suunnattuja päinvastaiseen suuntaan kuin missä ne liikkuvat, joten ne kiertyvät kuin vasemman langan langat. - käsin tehty ruuvi. Peilikuvahiukkaset – oikeakätisten ruuvien kaltaiset – eivät tunne heikkoa voimaa.
Wun paljastus oli järkyttävä. "Olemme kaikki melko järkyttyneitä rakkaan ystävämme, pariteetin, kuolemasta", fyysikko John Blatt kirjoitti kirjeessään Wolfgang Paulille.
Heikon voiman vasenkätisyydellä on hienovaraisia vaikutuksia, jotka eivät olisi voineet vaikuttaa kosmokseen galaktisissa mittakaavassa. Mutta Wun löytämisestä lähtien fyysikot ovat etsineet muita tapoja, joilla maailmankaikkeus eroaa peilikuvastaan.
Jos esimerkiksi jokin primordiaalinen pariteetin rikkomus oli voimassa universumin ollessa lapsenkengissään, se olisi voinut painaa käänteen kosmoksen rakenteeseen.
Universumin syntyhetkellä tai sen lähellä inflatonina tunnetun kentän uskotaan läpäisevän avaruuden. Kiehuva, kiehuva väliaine, jossa inflatonhiukkaset jatkuvasti kuplivat ja katosivat, inflatonkenttä oli myös vastenmielinen; sen lyhyen ajan, jonka se on voinut olla olemassa, se olisi saanut universumimme laajentumaan nopeasti 100 biljoonaan biljoonaan kertaan alkuperäiseen kokoonsa. Kaikki nuo hiukkasten kvanttivaihtelut inflaatiokentässä sinkoutuivat ulospäin ja jäätyivät kosmokseen, jolloin niistä tuli aineen tiheyden vaihteluita. Tiheämmät taskut jatkoivat gravitaatioiden yhdistämistä muodostaen galakseja ja suuren mittakaavan rakenteet, joita näemme nykyään.
Vuonna 1999 tutkijat, mukaan lukien Kamionkowski harkittu mitä tapahtuisi, jos useampi kuin yksi kenttä olisi läsnä ennen tätä räjähdystä. Inflaatiokenttä olisi voinut olla vuorovaikutuksessa toisen kentän kanssa, joka olisi voinut tuottaa oikea- ja vasenkätisiä hiukkasia. Jos inflatoni käsitteli oikeakätisiä hiukkasia eri tavalla kuin vasenkätisiä, se olisi voinut mieluiten luoda yhden käden hiukkasia kuin toista. Tämä niin sanottu Chern-Simons-kytkentä olisi täyttänyt varhaiset kvanttiheilahtelut suositellun käden suhteen, mikä olisi kehittynyt galaksien vasenkätisten ja oikeakätisten tetraedristen järjestelyjen epätasapainoon.
Mitä tulee siihen, mikä lisäkenttä voisi olla, yksi mahdollisuus on gravitaatiokenttä. Tässä skenaariossa pariteettia rikkova Chern-Simons-vuorovaikutus tapahtuisi inflatonhiukkasten ja gravitonien - painovoiman kvanttiyksiköiden - välillä, jotka olisivat ponnahtaneet gravitaatiokenttään inflaation aikana. Tällainen vuorovaikutus olisi luonut kätevyyden varhaisen universumin tiheysvaihteluihin ja siten tämän päivän laajamittaiseen rakenteeseen.
esittely
Vuonna 2006, Stephon Alexander, fyysikko nyt Brownin yliopistossa, ehdotti että Chern-Simonsin painovoima voisi myös mahdollisesti ratkaista yhden kosmologian suurimmista mysteereistä: miksi universumimme sisältää enemmän ainetta kuin antimateriaa. Hän arveli, että Chern-Simonsin vuorovaikutus olisi voinut tuottaa suhteellisen runsaasti vasenkätisiä gravitoneja, mikä puolestaan luo ensisijaisesti vasenkätisen aineen oikeakätisen antiaineen sijaan.
Alexanderin idea pysyi suhteellisen hämäränä vuosia. Kun hän kuuli uusista löydöistä, hän sanoi: "Se oli suuri yllätys."
Tetrahedra taivaalla
Cahn ajatteli, että mahdollisuus ratkaista aineen ja antiaineen epäsymmetriapulma pariteettirikkomuksella varhaisessa universumissa oli "spekulatiivinen, mutta myös provosoiva". Vuonna 2019 hän päätti etsiä pariteettirikkomusta Sloan Digital Sky Surveyn galaksiluettelosta. Hän ei odottanut löytävänsä mitään, mutta ajatteli, että se olisi tarkistamisen arvoinen.
Testatakseen, kunnioittaako tai rikkooko galaksijakauma pariteettia, hän ja hänen työtoverinsa tiesivät, että heidän oli tutkittava neljän galaksin tetraedrisiä järjestelyjä. Tämä johtuu siitä, että tetraedri on yksinkertaisin kolmiulotteinen muoto, ja vain 3D-objekteilla on mahdollisuus rikkoa pariteettia. Tämän ymmärtämiseksi harkitse käsiäsi. Koska kädet ovat 3D-muotoisia, vasenta kättä ei voi kääntää niin, että se näyttää oikealta. Käännä vasen kätesi ympäri niin, että molempien käsien peukalot ovat vasemmalla ja kätesi näyttävät silti erilaisilta – kämmenet ovat vastakkaisiin suuntiin. Sitä vastoin, jos piirrät vasemman käden paperiarkille ja leikkaat 2D-kuvan, leikkauksen kääntäminen saa sen näyttämään oikealta kädeltä. Leikkaa ja sen peilikuvaa ei voi erottaa.
Vuonna 2020 Slepian ja Cahn keksivät tavan määritellä galaksien tetraedrisen järjestelyn "kätisyys" vertaillakseen vasen- ja oikeakätisten lukumäärää taivaalla. Ensin he ottivat galaksin ja tarkastelivat etäisyyksiä kolmeen muuhun galaksiin. Jos etäisyydet kasvoivat myötäpäivään kuin oikeakätinen ruuvi, he kutsuivat tetraedria oikeakätiseksi. Jos etäisyydet kasvoivat vastapäivään, se oli vasenkätinen.
Sen määrittämiseksi, onko universumilla kokonaisuutena ensisijainen kädensija, heidän oli toistettava analyysi kaikille tetraedreille, jotka oli rakennettu heidän miljoonan galaksin tietokannasta. Tällaisia tetraedreita on lähes 1 biljoona biljoonaa – vaikea lista käsitellä yksi kerrallaan. Mutta factoring-temppu kehittyi aikaisempi työ Eräässä erilaisessa ongelmassa tutkijat pystyivät tarkastelemaan tetraedrien pariteettia kokonaisvaltaisemmin: Sen sijaan, että he kokoaisivat yhden tetraedrin kerrallaan ja määrittelivät sen pariteetin, he voisivat ottaa jokaisen galaksin vuorotellen ja ryhmitellä kaikki muut galaksit niiden etäisyyksien mukaan kyseisestä galaksista. luomalla kerroksia kuin sipulin kerrokset. Ilmaisemalla galaksien suhteelliset paikat kussakin kerroksessa pallomaisten harmonisten kulmien matemaattisilla funktioilla ne voisivat systemaattisesti yhdistää kolmen kerroksen joukkoja kollektiivisten tetraedrien muodostamiseksi.
Sitten tutkijat vertasivat tuloksia pariteettia säilyttäviin fysiikan lakeihin perustuviin odotuksiinsa. Hou johti tätä vaihetta analysoiden valeluetteloita galakseista, jotka oli luotu simuloimalla maailmankaikkeuden kehitystä alkaen pienistä, pariteetin säilyttävistä tiheysvaihteluista. Näistä valeluetteloista Hou ja hänen kollegansa pystyivät määrittämään, kuinka vasen- ja oikeakätisten tetraedrien yhteenveto vaihtelee satunnaisesti jopa peilisymmetrisessä maailmassa.
Ryhmä havaitsi "seitsemän sigman" tason pariteettirikkomuksen todellisista tiedoista, mikä tarkoittaa, että vasen- ja oikeakätisten tetraedrien välinen epätasapaino oli seitsemän kertaa niin suuri kuin satunnaisen sattuman ja muiden kuviteltavien virhelähteiden perusteella voitaisiin odottaa.
Kamionkowski kutsui sitä "uskomattomaksi, että he pystyivät tekemään sen", ja lisäsi, että "teknisesti se on aivan hämmästyttävää. Se on todella, todella, todella monimutkainen analyysi."
Philcox käytti samanlaisia menetelmiä (ja oli kirjoittanut joitakin aikaisempia tutkimuksia, joissa ehdotettiin tällaista analyysiä Houn, Slepianin ja Cahnin kanssa), mutta hän teki joitain erilaisia valintoja – esimerkiksi ryhmitteli galaksit vähemmän kerroksiin kuin Hou ja kollegansa ja jätti pois joitakin ongelmallisia. tetraedraa analyysistä - ja siksi havaittiin vaatimattomampi 2.9 sigman pariteettivirhe. Tutkijat tutkivat nyt analyysiensä eroja. Kaikki osapuolet pysyvät varovaisina jopa laajojen tietojen ymmärtämispyrkimysten jälkeen.
Vahvistavat todisteet
Yllättävä löytö vihjaa uuteen fysiikkaan, joka voisi mahdollisesti vastata pitkäaikaisiin universumia koskeviin kysymyksiin. Mutta työ on vasta alkanut.
Ensin fyysikkojen on tarkistettava (tai väärennettävä) havainto. Uusia, kunnianhimoisia galaksitutkimuksia, joiden perusteella analyysi voidaan toistaa, on jo käynnissä. Esimerkiksi meneillään oleva Dark Energy Spectroscopic Instrument -tutkimus on kirjannut tähän mennessä 14 miljoonaa galaksia ja sisältää yli 30 miljoonaa, kun se on valmis. "Se antaa meille mahdollisuuden tarkastella tätä paljon yksityiskohtaisemmin paljon parempien tilastojen avulla", sanoi Cahn.
esittely
Lisäksi, jos pariteettia rikkova signaali on todellinen, se voi näkyä muussa datassa kuin galaksien jakautumisessa. Esimerkiksi taivaan vanhin valo – kosmisena mikroaaltotaustana tunnettu säteilykylpy, joka jäi jäljelle varhaisesta universumista – tarjoaa varhaisimman kuvamme kosmoksen tilavaihteluista. Tämän valon pilkullisen kuvion tulisi sisältää samat pariteettia rikkovat korrelaatiot kuin myöhemmin muodostuneissa galakseissa. Fyysikot sanovat, että tällainen signaali pitäisi olla mahdollista löytää valosta.
Toinen paikka tarkastella on gravitaatioaaltojen kuvio, joka on saattanut syntyä inflaation aikana, jota kutsutaan stokastiseksi gravitaatioaallon taustaksi. Nämä korkkiruuvimaiset aaltoilut aika-avaruuskankaassa voivat olla oikea- tai vasenkätisiä, ja pariteettia säilyttävässä maailmassa ne sisältäisivät yhtä suuret määrät kumpaakin. Joten jos fyysikot onnistuvat mittaamaan tämän taustan ja huomaamaan, että yksikätisyys suositaan, tämä olisi yksiselitteinen, riippumaton pariteettia rikkovan fysiikan tarkastus varhaisessa universumissa.
Kun vahvistavien todisteiden etsiminen alkaa, teoreetikot tutkivat inflaatiomalleja, jotka olisivat voineet tuottaa signaalin. Kanssa Giovanni Cabass, teoreettinen fyysikko Institute for Advanced Studyssa Princetonissa, New Jerseyssä, Philcox käytti äskettäin mittaustaan testaa joukko pariteettia rikkovia malleja inflaatiota, mukaan lukien Chern-Simons-tyyppiset. (He eivät voi vielä varmuudella sanoa, mikä malli, jos sellainen on, on oikea.)
Alexander on myös keskittänyt ponnistelunsa uudelleen Chern-Simonsin painovoiman ymmärtämiseen. Yhteistyökumppaneiden kanssa, kuten Kamionkowski ja Cyril Creque-Sarbinowski Flatiron Instituten laskennallisen astrofysiikan keskuksen edustaja Alexander on alkanut selvittää hienovaraisia yksityiskohtia siitä, kuinka Chern-Simonsin painovoima varhaisessa universumissa vaikuttaisi nykyisten galaksien jakautumiseen.
"Olin tavallaan kuin yksinäinen sotilas, joka työnsi tätä tavaraa jonkin aikaa", hän sanoi. "On hienoa nähdä ihmisten kiinnostusta."
Toimittajan huomautus: Flatiron-instituuttia rahoittaa Simons Foundation, joka tukee myös tätä toimituksellisesti riippumatonta lehteä. Lisäksi Oliver Philcox saa rahoitusta Simons Foundationilta.
