מבוא
פיזיקאים מאמינים שהם זיהו אסימטריה בולטת בסידורי הגלקסיות בשמים. אם יאושר, הממצא יצביע על מאפיינים של חוקי היסוד הלא ידועים שפעלו במהלך המפץ הגדול.
"אם התוצאה הזו אמיתית, מישהו יקבל פרס נובל", אמר מארק קמיונקובסקי, פיזיקאי מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס שלא היה מעורב בניתוח.
כאילו שיחקו משחק קוסמי של Connect the Dots, החוקרים שרטטו קווים בין קבוצות של ארבע גלקסיות, ובנו צורות עם ארבע פינות הנקראות טטרהדרה. כשהם בנו כל טטרהדרון אפשרי מקטלוג של מיליון גלקסיות, הם גילו שהטטרהדרות בכיוון אחד גדלות במספרן של תמונות המראה שלהן.
רמז לחוסר האיזון בין הטטרהדרות לתמונות המראה שלהם היה ראשון דיווח by אוליבר פילקוקס, אסטרופיזיקאי באוניברסיטת קולומביה בניו יורק, במאמר שפורסם ב סקירה פיזית ד בספטמבר. בניתוח בלתי תלוי שנערך בו זמנית שעובר כעת ביקורת עמיתים, ג'יאמין הו ו זכרי סלפיאן מאוניברסיטת פלורידה ו רוברט קאן של לורנס ברקלי המעבדה הלאומית זוהה האסימטריה עם רמת ודאות סטטיסטית שפיזיקאים בדרך כלל מחשיבים כסופית.
אבל עם ממצא שובר קופות שכזה - וכזה שעדיין נמצא בבדיקה - מומחים אומרים שיש בזהירות.
"אין סיבה ברורה שהם עשו טעות", אמר שון הוצ'קיס, קוסמולוגית באוניברסיטת אוקלנד. "זה לא אומר שאין טעות."
חוסר האיזון המשוער מפר סימטריה הנקראת "שוויון", שוויון של שמאל וימין. אם התצפית עומדת בבדיקה, הפיזיקאים חושבים שהיא חייבת לשקף מרכיב לא ידוע, המפר זוגיות, בתהליך הקדמון שזרע את זרעי כל המבנה שהתפתח ביקום שלנו.
"זו תוצאה מדהימה - ממש מרשימה", אמר קמיונקובסקי. "האם אני מאמין בזה? אני אחכה לחגוג באמת".
יקום יד שמאל
זוגיות הייתה פעם סימטריה אהובה של הפיזיקה. אבל אז, בשנת 1957, ניסוי הריקבון הגרעיני של הפיזיקאי האמריקני הסיני צ'יין-שיונג וו גילה שהיקום שלנו אכן יש לו יד קלה: חלקיקים תת-אטומיים המעורבים בכוח הגרעיני החלש, הגורם להתפרקות גרעינית, מכוונים תמיד מגנטית בכיוון ההפוך לזה שהם נעים בו, כך שהם מתפתלים כמו חוטי שמאל. -בורג ביד. חלקיקי תמונת המראה - אלה כמו ברגים ימניים - לא מרגישים את הכוח החלש.
הגילוי של וו היה מזעזע. "כולנו די מזועזעים ממותו של חברנו האהוב, זוגיות", כתב הפיזיקאי ג'ון בלאט במכתב לוולפגנג פאולי.
לשמאליות של הכוח החלש יש השפעות עדינות שלא היו יכולות להשפיע על הקוסמוס בסולמות גלקטיים. אבל מאז גילויו של וו, פיסיקאים חיפשו דרכים אחרות שבהן היקום שונה מתמונת המראה שלו.
אם, למשל, הפרת זוגיות ראשונית כלשהי הייתה בתוקף כשהיקום היה בחיתוליו, ייתכן שהיא הייתה מטביעה טוויסט במבנה הקוסמוס.
בזמן לידתו של היקום או בסמוך לו, שדה המכונה אינפלטון חלחל לחלל. תווך מתגלגל, רותח שבו חלקיקי אינפלטון בעבעו ונעלמו ללא הרף, גם שדה האינפלטון היה דוחה; במשך הזמן הקצר שאולי היה קיים, זה היה גורם ליקום שלנו להתרחב במהירות לכדי פי 100 טריליון טריליון מגודלו המקורי. כל אותן תנודות קוונטיות של חלקיקים בשדה האינפלטון הושלכו החוצה והוקפאו אל הקוסמוס, והפכו לשונות בצפיפות החומר. הכיסים הצפופים יותר המשיכו להתלכד מבחינה כבידתית כדי לייצר את הגלקסיות והמבנה בקנה מידה גדול שאנו רואים כיום.
בשנת 1999, חוקרים כולל קמיונקובסקי נחשב מה היה קורה אם יותר משדה אחד היה נוכח לפני הפיצוץ הזה. שדה האינפלטון יכול היה לקיים אינטראקציה עם שדה אחר שיכול לייצר חלקיקים ימניים ושמאליים. אם האינפלטון התייחס לחלקיקים הימניים בצורה שונה מאשר לשמאליים, אז הוא יכול היה ליצור עדיפות חלקיקים בעלי יד אחת על פני האחרת. מה שנקרא צימוד צ'רן-סימון הזה היה מחדיר את התנודות הקוונטיות המוקדמות בידידות מועדפת, שהייתה מתפתחת לחוסר איזון של סידורי טטרהדרלים ביד שמאל וימנית של גלקסיות.
לגבי מה יכול להיות השדה הנוסף, אפשרות אחת היא שדה הכבידה. בתרחיש זה, תתרחש אינטראקציה מפרת זוגיות של צ'רן-סימון בין חלקיקי אינפלטון וגרביטונים - יחידות הכובד הקוונטיות - שהיו צצות בשדה הכבידה במהלך האינפלציה. אינטראקציה כזו הייתה יוצרת יד בווריאציות הצפיפות של היקום המוקדם, וכתוצאה מכך, במבנה רחב ההיקף של היום.
מבוא
ב2006, סטפון אלכסנדר, פיזיקאי עכשיו באוניברסיטת בראון, מוצע שכוח המשיכה של צ'רן-סיימון יכול גם לפתור את אחת התעלומות הגדולות ביותר בקוסמולוגיה: מדוע היקום שלנו מכיל יותר חומר מאנטי-חומר. הוא שיער שהאינטראקציה של צ'רן-סימון הייתה יכולה להניב שפע יחסי של גרביטונים שמאליים, שבתורם היו יוצרים חומר שמאלי על פני אנטי-חומר ימני.
הרעיון של אלכסנדר נשאר מעורפל יחסית במשך שנים. כששמע על הממצאים החדשים, הוא אמר, "זו הייתה הפתעה גדולה".
טטרהדרה בשמיים
קאהן חשב שהאפשרות לפתור את חידת אסימטריית החומר-אנטי-חומר עם הפרת זוגיות ביקום המוקדם היא "ספקולטיבית, אבל גם פרובוקטיבית". בשנת 2019, הוא החליט לחפש הפרת זוגיות בקטלוג של גלקסיות בסקר Sloan Digital Sky. הוא לא ציפה למצוא משהו אבל חשב שזה יהיה שווה בדיקה.
כדי לבדוק אם התפלגות הגלקסיות מכבדת או מפרה זוגיות, הוא ומשתפי הפעולה שלו ידעו שהם צריכים לחקור סידורים טטרהדרליים של ארבע גלקסיות. הסיבה לכך היא שהטטרהדרון הוא הצורה התלת מימדית הפשוטה ביותר, ורק לאובייקטים תלת מימדיים יש סיכוי להפר את הזוגיות. כדי להבין זאת, שקול את הידיים שלך. מכיוון שהמחוגים הם תלת מימדיים, אין דרך לסובב שמאלה כדי לגרום לו להיראות כמו ימני. הפוך את יד שמאל שלך כך שהאגודלים של שתי הידיים יהיו בצד שמאל, והידיים שלך עדיין נראות אחרת - כפות הידיים פונות לכיוון ההפוך. לעומת זאת, אם אתה מתחקה אחר יד שמאל על גיליון נייר וחותך את התמונה הדו-ממדית, היפוך הגזרה גורם לה להיראות כמו יד ימין. אין להבחין בין הגזרה ותמונת המראה שלה.
בשנת 2020, סלפיאן וקהן המציאו דרך להגדיר את ה"ידיות" של סידור טטרהדרלי של גלקסיות על מנת להשוות את מספר השמאליים והימניים בשמים. תחילה הם לקחו גלקסיה והסתכלו על המרחקים לשלוש גלקסיות אחרות. אם המרחקים גדלו בכיוון השעון כמו בורג ימני, הם כינו את הטטרהדרון ימני. אם המרחקים גדלו נגד כיוון השעון, זה היה שמאלי.
כדי לקבוע אם ליקום בכללותו יש יכולת מועדפת, הם היו צריכים לחזור על הניתוח עבור כל הטטרהדרות שנבנו ממסד הנתונים שלהם של מיליון גלקסיות. יש כמעט 1 טריליון טריליון טטרהדרות כאלה - רשימה בלתי פתירה לטיפול באחת בכל פעם. אבל התפתח טריק פקטורינג עבודה קודמת בעיה אחרת אפשרה לחוקרים להסתכל על השוויון של הטטרהדרה בצורה הוליסטית יותר: במקום להרכיב טטרהדרון אחד בכל פעם ולקבוע את הזוגיות שלו, הם יכלו לקחת כל גלקסיה בתורה ולקבץ את כל הגלקסיות האחרות לפי המרחקים שלהן מאותה גלקסיה, יצירת שכבות כמו שכבות של בצל. על ידי ביטוי המיקומים היחסיים של הגלקסיות בכל שכבה במונחים של פונקציות מתמטיות של זוויות הנקראות הרמוניות כדוריות, הן יכלו לשלב באופן שיטתי קבוצות של שלוש שכבות כדי ליצור טטרהדרה קולקטיבית.
לאחר מכן השוו החוקרים את התוצאות לציפיותיהם בהתבסס על חוקי הפיזיקה המשמרים זוגיות. הו הוביל את הצעד הזה, וניתח קטלוגים מזויפים של גלקסיות שנוצרו על ידי הדמיית התפתחות היקום החל משינויי צפיפות זעירים המשמרים זוגיות. מתוך קטלוגים מדומים אלה, הו ועמיתיה יכלו לקבוע כיצד מספר הטטרהדרות השמאליות והימניות משתנה באופן אקראי, אפילו בעולם סימטרי במראה.
הצוות מצא רמת "שבע סיגמא" של הפרת זוגיות בנתונים האמיתיים, כלומר חוסר האיזון בין טטרהדרה ימנית ושמאלית היה גדול פי שבעה ממה שניתן לצפות ממקריות אקראית ומקורות שגיאה אפשריים אחרים.
קמיונקובסקי כינה את זה "מדהים שהם הצליחו לעשות את זה", והוסיף כי "טכנית, זה בהחלט מדהים. זה ניתוח ממש ממש ממש מסובך".
פילקוקס השתמש בשיטות דומות (והוא חיבר כמה מאמרים קודמים שהציעו ניתוח כזה עם Hou, Slepian ו-Cahn), אבל הוא עשה כמה בחירות שונות - למשל, קיבוץ הגלקסיות לפחות שכבות מאשר Hou ועמיתיו, והשמטת כמה בעייתיות טטרהדרה מהניתוח - ולכן מצאה הפרה צנועה יותר של 2.9 סיגמא של זוגיות. החוקרים חוקרים כעת את ההבדלים בין הניתוחים שלהם. גם לאחר מאמצים נרחבים להבין את הנתונים, כל הצדדים נשארים זהירים.
עדויות מאששות
הממצא המפתיע מרמז על פיזיקה חדשה שיכולה לענות על שאלות ארוכות שנים על היקום. אבל העבודה רק התחילה.
ראשית, פיזיקאים צריכים לאמת (או לזייף) את התצפית. סקרי גלקסיות חדשים ושאפתניים שבהם ניתן לחזור על הניתוח כבר בעיצומם. הסקר המתמשך של מכשירים ספקטרוסקופיים של אנרגיה כהה, למשל, רשם עד כה 14 מיליון גלקסיות ויכיל יותר מ-30 מיליון כשהוא יושלם. "זה ייתן לנו הזדמנות להסתכל על זה בפירוט הרבה יותר עם סטטיסטיקה הרבה יותר טובה", אמר קאהן.
מבוא
יתרה מכך, אם האות המפר את הזוגיות אמיתי, הוא יכול להופיע בנתונים אחרים מלבד התפלגות הגלקסיות. האור העתיק ביותר בשמים, למשל - אמבט של קרינה המכונה רקע המיקרוגל הקוסמי, שנותר מהיקום המוקדם - מספק את תמונת המצב המוקדמת ביותר שלנו של וריאציות מרחביות בקוסמוס. הדפוס המנומר של האור הזה צריך להכיל את אותם מתאמים מפרי זוגיות כמו הגלקסיות שנוצרו מאוחר יותר. פיזיקאים אומרים שאמור להיות אפשרי למצוא אות כזה באור.
מקום נוסף להסתכל בו יהיה דפוס גלי הכבידה שייתכן שנוצרו במהלך האינפלציה, הנקרא רקע גל הכבידה הסטוכסטי. אדוות דמויות חולץ פקקים אלה בבד המרחב-זמן יכולות להיות ימניות או שמאליות, ובעולם משמר זוגיות, הן יכילו כמויות שוות של כל אחת מהן. אז אם פיזיקאים יצליחו למדוד את הרקע הזה ולגלות שידידות אחת מועדפת, זו תהיה בדיקה חד משמעית ועצמאית של פיזיקה מפרת זוגיות ביקום המוקדם.
עם תחילת החיפוש אחר ראיות מאששות, תיאורטיקנים ילמדו מודלים של אינפלציה שיכלו לייצר את האות. עם ג'ובאני קבאס, פיזיקאי תיאורטי במכון למחקר מתקדם בפרינסטון, ניו ג'רזי, פילקוקס השתמש לאחרונה במדידה שלו כדי בדוק שורה של מודלים מפרי זוגיות של אינפלציה, כולל אלו מסוג צ'רן-סימון. (הם עדיין לא יכולים לומר בוודאות איזה דגם, אם בכלל, נכון).
אלכסנדר גם מיקד מחדש את מאמציו בהבנת כוח המשיכה של צ'רן-סימון. עם משתפי פעולה כולל קמיונקובסקי ו סיריל קרקה-סרבינובסקי מהמרכז לאסטרופיזיקה חישובית של מכון פלטירון, אלכסנדר החל לחשב פרטים עדינים על האופן שבו כוח הכבידה של צ'רן-סיימון ביקום המוקדם ישפיע על תפוצת הגלקסיות של ימינו.
"הייתי קצת כמו החייל הבודד שדוחף את הדברים האלה לזמן מה", אמר. "זה טוב לראות אנשים מתעניינים."
הערת העורך: מכון פלטירון ממומן על ידי קרן סימונס, התומכת גם במגזין עצמאי זה מבחינה עריכה. בנוסף, אוליבר פילקוקס מקבל מימון מקרן סימונס.
