Asymmetrie gedetecteerd in de verdeling van sterrenstelsels

Natuurkundigen denken dat ze een opvallende asymmetrie hebben ontdekt in de opstelling van sterrenstelsels aan de hemel. Indien bevestigd, zou de bevinding wijzen op kenmerken van de onbekende fundamentele wetten die tijdens de oerknal van kracht waren.

"Als dit resultaat echt is, krijgt iemand een Nobelprijs", zei hij Marc Kamionkowski, een natuurkundige aan de Johns Hopkins University die niet betrokken was bij de analyse.

Alsof ze een kosmisch spel van Connect the Dots speelden, trokken de onderzoekers lijnen tussen sets van vier sterrenstelsels en construeerden ze vierhoekige vormen die tetraëders worden genoemd. Toen ze elke mogelijke tetraëder hadden gebouwd uit een catalogus van 1 miljoen sterrenstelsels, ontdekten ze dat tetraëders die één kant op georiënteerd waren, groter waren dan hun spiegelbeelden.

Een hint van de onbalans tussen tetraëders en hun spiegelbeelden was de eerste gerapporteerd by Oliver Philcox, een astrofysicus aan de Columbia University in New York, in een paper gepubliceerd in Fysiek overzicht D in september. In een gelijktijdig uitgevoerde onafhankelijke analyse die nu door vakgenoten wordt beoordeeld, Jiamin Hou en Zakaria Slepian van de Universiteit van Florida en Robert Cahn van het Lawrence Berkeley National Laboratory gedetecteerd de asymmetrie met een niveau van statistische zekerheid dat natuurkundigen gewoonlijk als definitief beschouwen.

Maar met zo'n blockbuster-bevinding - en een die nog wordt beoordeeld - zeggen experts dat voorzichtigheid geboden is.

"Er is geen duidelijke reden dat ze een fout hebben gemaakt," zei Shaun Hotchkiss, een kosmoloog aan de Universiteit van Auckland. "Dat betekent niet dat er geen fout is."

De vermeende onbalans schendt een symmetrie die 'pariteit' wordt genoemd, een gelijkwaardigheid van links en rechts. Als de waarneming nauwkeurig onderzoek doorstaat, denken natuurkundigen dat het een onbekend, pariteitsschendend ingrediënt moet weerspiegelen in het oorspronkelijke proces dat de zaden zaaide van alle structuren die zich in ons universum ontwikkelden.

"Het is een ongelooflijk resultaat - echt indrukwekkend," zei Kamionkowski. “Geloof ik het? Ik ga wachten om het echt te vieren.”

Linkshandig Universum

Pariteit was ooit een gekoesterde symmetrie van de natuurkunde. Maar toen, in 1957, de Chinees-Amerikaanse natuurkundige Chien-Shiung Wu's nucleaire vervalexperimenten onthuld dat ons universum inderdaad een beetje handigheid heeft: subatomaire deeltjes die betrokken zijn bij de zwakke kernkracht, die nucleair verval veroorzaakt, zijn altijd magnetisch georiënteerd in de tegenovergestelde richting van de richting waarin ze bewegen, zodat ze spiraliseren als de draden van een linker -handige schroef. De spiegelbeelddeeltjes - die als rechtshandige schroeven - voelen de zwakke kracht niet.

Wu's onthulling was schokkend. "We zijn allemaal nogal geschokt door de dood van onze zeer geliefde vriend, pariteit", schreef de natuurkundige John Blatt in een brief aan Wolfgang Pauli.

De linkshandigheid van de zwakke kracht heeft subtiele effecten die de kosmos op galactische schaal niet kunnen hebben beïnvloed. Maar sinds Wu's ontdekking hebben natuurkundigen gezocht naar andere manieren waarop het universum verschilt van zijn spiegelbeeld.

Als er bijvoorbeeld een of andere primordiale pariteitsschending van kracht was toen het universum nog in de kinderschoenen stond, zou dit een draai kunnen hebben gegeven aan de structuur van de kosmos.

Op of nabij het tijdstip van de geboorte van het universum, wordt aangenomen dat een veld dat bekend staat als de inflaton de ruimte heeft doordrongen. Een kolkend, kokend medium waar inflatondeeltjes continu opborrelden en verdwenen, het inflatonveld was ook weerzinwekkend; voor de korte tijd dat het misschien heeft bestaan, zou het ervoor hebben gezorgd dat ons universum snel uitdijde tot 100 biljoen biljoen keer zijn oorspronkelijke grootte. Al die kwantumfluctuaties van deeltjes in het inflatonveld werden naar buiten geslingerd en bevroren in de kosmos, en werden variaties in de dichtheid van materie. De dichtere holtes bleven door de zwaartekracht samenvloeien om de sterrenstelsels en grootschalige structuren te produceren die we vandaag zien.

In 1999 ontdekten onderzoekers, waaronder Kamionkowski beschouwd wat zou er gebeuren als er voor deze explosie meer dan één veld aanwezig was. Het inflatonveld zou kunnen interageren met een ander veld dat rechtshandige en linkshandige deeltjes zou kunnen produceren. Als de inflaton rechtshandige deeltjes anders behandelde dan de linkshandige, dan had het bij voorkeur deeltjes van de ene handigheid kunnen creëren boven de andere. Deze zogenaamde Chern-Simons-koppeling zou de vroege kwantumfluctuaties hebben doordrenkt met een geprefereerde handigheid, die zou zijn geëvolueerd tot een onbalans van linkshandige en rechtshandige tetraëdrische arrangementen van sterrenstelsels.

Wat betreft wat het aanvullende veld zou kunnen zijn, een mogelijkheid is het zwaartekrachtveld. In dit scenario zou er een pariteitsovertredende Chern-Simons-interactie plaatsvinden tussen inflatondeeltjes en gravitonen - de kwantumeenheden van de zwaartekracht - die tijdens het opblazen in het zwaartekrachtveld zouden zijn opgedoken. Een dergelijke interactie zou handigheid hebben gecreëerd in de dichtheidsvariaties van het vroege universum en bijgevolg in de grootschalige structuur van vandaag.

In 2006, Stephan Alexander, een natuurkundige nu aan de Brown University, gesuggereerd dat de zwaartekracht van Chern-Simon mogelijk ook een van de grootste mysteries in de kosmologie zou kunnen oplossen: waarom ons universum meer materie bevat dan antimaterie. Hij vermoedde dat de Chern-Simons-interactie een relatieve overvloed aan linkshandige gravitonen had kunnen opleveren, die op hun beurt bij voorkeur linkshandige materie zouden creëren boven rechtshandige antimaterie.

Alexanders idee bleef jarenlang relatief duister. Toen hij over de nieuwe bevindingen hoorde, zei hij: "Dat was een grote verrassing."

Tetraëders in de lucht

Cahn dacht dat de mogelijkheid om de materie-antimaterie-asymmetriepuzzel op te lossen met pariteitsschending in het vroege universum 'speculatief, maar ook provocerend' was. In 2019 besloot hij te zoeken naar pariteitsschending in een catalogus van sterrenstelsels in de Sloan Digital Sky Survey. Hij verwachtte niets te vinden, maar dacht dat het de moeite van het controleren waard was.

Om te testen of de distributie van melkwegstelsels de pariteit respecteert of schendt, wisten hij en zijn medewerkers dat ze tetraëdrische arrangementen van vier sterrenstelsels moesten bestuderen. Dit komt omdat de tetraëder de eenvoudigste driedimensionale vorm is en alleen 3D-objecten de kans hebben om de pariteit te schenden. Om dit te begrijpen, moet u rekening houden met uw handen. Omdat handen 3D zijn, is er geen manier om een ​​linker te draaien om het op een rechter te laten lijken. Draai uw linkerhand om zodat de duimen van beide handen zich aan de linkerkant bevinden en uw handen er nog steeds anders uitzien - de handpalmen wijzen naar de tegenovergestelde kant. Als u daarentegen een linkerhand op een vel papier tekent en de 2D-afbeelding uitknipt, zorgt het omdraaien van de uitsparing ervoor dat het lijkt op een rechterhand. De uitsparing en het spiegelbeeld zijn niet van elkaar te onderscheiden.

In 2020 bedachten Slepian en Cahn een manier om de "handigheid" van een tetraëdrische opstelling van sterrenstelsels te definiëren om het aantal linkshandige en rechtshandige sterrenstelsels in de lucht te vergelijken. Eerst namen ze een sterrenstelsel en keken naar de afstanden tot drie andere sterrenstelsels. Als de afstanden met de klok mee groter werden zoals een rechtshandige schroef, noemden ze de tetraëder rechtshandig. Als de afstanden tegen de klok in groter werden, was het linkshandig.

Om te bepalen of het universum als geheel een geprefereerde handigheid heeft, moesten ze de analyse herhalen voor alle tetraëders die waren samengesteld uit hun database van 1 miljoen sterrenstelsels. Er zijn bijna 1 biljoen biljoen van dergelijke tetraëders - een hardnekkige lijst om ze één voor één te behandelen. Maar er ontwikkelde zich een factoringtruc eerder werk op een ander probleem stelden de onderzoekers in staat om de pariteit van tetraëders holistischer te bekijken: in plaats van één tetraëder tegelijk samen te stellen en de pariteit ervan te bepalen, konden ze elk sterrenstelsel om de beurt nemen en alle andere sterrenstelsels groeperen op basis van hun afstanden tot dat sterrenstelsel, lagen creëren zoals de lagen van een ui. Door de relatieve posities van sterrenstelsels in elke laag uit te drukken in termen van wiskundige functies van hoeken die sferische harmonischen worden genoemd, konden ze systematisch sets van drie lagen combineren om collectieve tetraëders te maken.

De onderzoekers vergeleken de resultaten vervolgens met hun verwachtingen op basis van natuurkundige wetten die de pariteit behouden. Hou leidde deze stap en analyseerde valse catalogi van sterrenstelsels die waren gegenereerd door de evolutie van het universum te simuleren, uitgaande van kleine dichtheidsvariaties die de pariteit behouden. Uit deze nepcatalogi konden Hou en haar collega's bepalen hoe de telling van links- en rechtshandige tetraëders willekeurig varieert, zelfs in een spiegelsymmetrische wereld.

Het team vond een "zeven-sigma" niveau van pariteitsschending in de echte gegevens, wat betekent dat de onbalans tussen links- en rechtshandige tetraëders zeven keer zo groot was als verwacht kon worden op basis van willekeurig toeval en andere denkbare bronnen van fouten.

Kamionkowski noemde het "ongelooflijk dat ze in staat waren om dat te doen", eraan toevoegend dat "het technisch gezien absoluut verbazingwekkend is. Het is een heel, heel, heel ingewikkelde analyse.”

Philcox gebruikte vergelijkbare methoden (en was samen met Hou, Slepian en Cahn co-auteur van enkele eerdere artikelen waarin een dergelijke analyse werd voorgesteld), maar hij maakte een aantal andere keuzes - bijvoorbeeld door de sterrenstelsels in minder lagen te groeperen dan Hou en collega's, en enkele problematische tetraëders uit de analyse - en vonden daarom een ​​meer bescheiden 2.9-sigma schending van de pariteit. De onderzoekers bestuderen nu de verschillen tussen hun analyses. Zelfs na uitgebreide inspanningen om de gegevens te begrijpen, blijven alle partijen voorzichtig.

Bevestigend bewijs

De verrassende bevinding verwijst naar nieuwe fysica die mogelijk al lang bestaande vragen over het universum kan beantwoorden. Maar het werk is nog maar net begonnen.

Eerst moeten natuurkundigen de waarneming verifiëren (of falsificeren). Nieuwe, ambitieuze melkwegonderzoeken waarop de analyse kan worden herhaald, zijn al aan de gang. Het lopende Dark Energy Spectroscopic Instrument-onderzoek heeft bijvoorbeeld tot nu toe 14 miljoen sterrenstelsels geregistreerd en zal er meer dan 30 miljoen bevatten wanneer het is voltooid. "Dat geeft ons de kans om dit veel gedetailleerder te bekijken met veel betere statistieken", zei Cahn.

Bovendien, als het signaal dat de pariteit schendt echt is, zou het kunnen verschijnen in andere gegevens dan de verdeling van sterrenstelsels. Het oudste licht aan de hemel bijvoorbeeld - een stralingsbad dat bekend staat als de kosmische microgolfachtergrond, overgebleven uit het vroege universum - biedt onze vroegste momentopname van ruimtelijke variaties in de kosmos. Het gevlekte patroon van dit licht zou dezelfde correlaties moeten bevatten die de pariteit schenden als de sterrenstelsels die later zijn ontstaan. Natuurkundigen zeggen dat het mogelijk zou moeten zijn om zo'n signaal in het licht te vinden.

Een andere plek om te kijken is het patroon van zwaartekrachtgolven die mogelijk zijn gegenereerd tijdens het opblazen, de stochastische zwaartekrachtgolfachtergrond genoemd. Deze kurkentrekkerachtige rimpelingen in het ruimte-tijdweefsel kunnen rechtshandig of linkshandig zijn, en in een wereld die de pariteit behoudt, zouden ze gelijke hoeveelheden van elk bevatten. Dus als natuurkundigen erin slagen om deze achtergrond te meten en ontdekken dat eenhandigheid de voorkeur heeft, zou dit een ondubbelzinnige, onafhankelijke controle zijn van pariteitsschending van de fysica in het vroege universum.

Terwijl de zoektocht naar ondersteunend bewijs begint, zullen theoretici inflatiemodellen bestuderen die het signaal hadden kunnen produceren. Met Giovanni Kabas, een theoretisch natuurkundige aan het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, gebruikte Philcox onlangs zijn meting om test een hele reeks modellen die de pariteit schenden inflatie, inclusief die van het Chern-Simons-type. (Ze kunnen nog niet met zekerheid zeggen welk model eventueel correct is.)

Alexander heeft zijn inspanningen ook opnieuw gericht op het begrijpen van de zwaartekracht van Chern-Simon. Met medewerkers waaronder Kamionkowski en Cyril Creque-Sarbinowski van het Centre for Computational Astrophysics van het Flatiron Institute is Alexander begonnen met het uitwerken van subtiele details over hoe de zwaartekracht van Chern-Simons in het vroege heelal de verdeling van de huidige sterrenstelsels zou beïnvloeden.

"Ik was een beetje zoals de eenzame soldaat die dit spul een tijdje pushte", zei hij. “Het is goed om te zien dat mensen geïnteresseerd zijn.”

Noot van de redactie: Het Flatiron Institute wordt gefinancierd door de Simons Foundation, die ook dit redactioneel onafhankelijke tijdschrift ondersteunt. Daarnaast ontvangt Oliver Philcox financiering van de Simons Foundation.