Introduksjon
Fysikere mener de har oppdaget en slående asymmetri i arrangementene til galakser på himmelen. Hvis det bekreftes, vil funnet peke på trekk ved de ukjente grunnleggende lovene som fungerte under Big Bang.
"Hvis dette resultatet er ekte, kommer noen til å få en Nobelpris," sa Marc Kamionkowski, en fysiker ved Johns Hopkins University som ikke var involvert i analysen.
Som om de spilte et kosmisk spill med Connect the Dots, tegnet forskerne linjer mellom sett med fire galakser, og konstruerte fire-hjørnede former kalt tetraedre. Da de hadde bygget alle mulige tetraeder fra en katalog med 1 million galakser, fant de ut at tetraedre orientert én vei var flere enn speilbildene deres.
Et snev av ubalansen mellom tetraedre og deres speilbilder var først rapportert by Oliver Philcox, en astrofysiker ved Columbia University i New York, i en artikkel publisert i Fysisk gjennomgang D i september. I en uavhengig analyse utført samtidig som nå gjennomgår fagfellevurdering, Jiamin Hou og Zachary Slepian fra University of Florida og Robert Cahn fra Lawrence Berkeley National Laboratory oppdaget asymmetrien med et nivå av statistisk sikkerhet som fysikere vanligvis anser som definitivt.
Men med et slikt storsuksessfunn - og et som fortsatt er under vurdering - sier eksperter at det er nødvendig med forsiktighet.
"Det er ingen åpenbar grunn til at de har gjort en feil," sa Shaun Hotchkiss, en kosmolog ved University of Auckland. "Det betyr ikke at det ikke er en feil."
Den antatte ubalansen bryter med en symmetri kalt "paritet", en ekvivalens mellom venstre og høyre. Hvis observasjonen tåler gransking, tror fysikere at den må gjenspeile en ukjent, paritetskrenkende ingrediens i den urprosessen som sådde frøene til all strukturen som utviklet seg i universet vårt.
"Det er et utrolig resultat - virkelig imponerende," sa Kamionkowski. «Tror jeg det? Jeg kommer til å vente med å virkelig feire.»
Venstrehendt univers
Paritet var en gang en kjær symmetri av fysikk. Men så, i 1957, eksperimenterte den kinesisk-amerikanske fysikeren Chien-Shiung Wu sine kjernefysiske forfallseksperimenter avslørt at universet vårt faktisk har en liten handedness til seg: Subatomære partikler involvert i den svake kjernekraften, som forårsaker kjernefysisk forfall, er alltid magnetisk orientert i motsatt retning fra den de beveger seg i, slik at de spiraler som trådene til en venstre. -håndskrue. Speilbildepartiklene - de som høyrehendte skruer - føler ikke den svake kraften.
Wus avsløring var sjokkerende. "Vi er alle ganske rystet over døden til vår elskede venn, paritet," skrev fysikeren John Blatt i et brev til Wolfgang Pauli.
Venstrehåndheten til den svake kraften har subtile effekter som ikke kunne ha påvirket kosmos på galaktiske skalaer. Men helt siden Wus oppdagelse har fysikere søkt etter andre måter universet skiller seg på fra speilbildet.
Hvis for eksempel et primordialt paritetsbrudd var i kraft da universet var i sin spede begynnelse, kan det ha innprentet en vri på strukturen til kosmos.
På eller nær tidspunktet for universets fødsel antas et felt kjent som inflatonet å ha gjennomsyret rommet. Et bølgende, kokende medium hvor inflaton-partikler kontinuerlig boblet opp og forsvant, inflaton-feltet var også frastøtende; for den korte tiden det kan ha eksistert, ville det ha ført til at universet vårt raskt utvidet seg til 100 billioner billioner ganger dets opprinnelige størrelse. Alle disse kvantesvingningene av partikler i inflatonfeltet ble slynget utover og frosset inn i kosmos, og ble til variasjoner i materiens tetthet. De tettere lommene fortsatte å smelte sammen for å produsere galaksene og storskalastrukturen vi ser i dag.
I 1999, forskere inkludert Kamionkowski ansett hva ville skje hvis mer enn ett felt var til stede før denne eksplosjonen. Inflatonfeltet kunne ha vekselvirket med et annet felt som kunne produsere høyrehendte og venstrehendte partikler. Hvis inflatonet behandlet høyrehendte partikler annerledes enn de venstrehendte, kunne det fortrinnsvis ha skapt partikler med en håndthet fremfor den andre. Denne såkalte Chern-Simons-koblingen ville ha gitt de tidlige kvantesvingningene en foretrukket håndenhet, som ville ha utviklet seg til en ubalanse mellom venstrehendte og høyrehendte tetraedriske arrangementer av galakser.
Når det gjelder hva tilleggsfeltet kan være, er en mulighet gravitasjonsfeltet. I dette scenariet ville en paritetskrenkende Chern-Simons-interaksjon oppstå mellom inflatonpartikler og gravitoner - kvanteenhetene for tyngdekraften - som ville ha dukket opp i gravitasjonsfeltet under inflasjon. En slik interaksjon ville ha skapt en håndterlighet i tetthetsvariasjonene til det tidlige universet og følgelig i dagens storskalastruktur.
Introduksjon
I 2006, Stephon Alexander, fysiker nå ved Brown University, foreslått at Chern-Simons gravitasjon også potensielt kan løse et av de største mysteriene innen kosmologi: hvorfor universet vårt inneholder mer materie enn antimaterie. Han antok at Chern-Simons-interaksjonen kunne ha gitt en relativ overflod av venstrehendte gravitoner, som igjen fortrinnsvis ville skape venstrehendt materie fremfor høyrehendt antimaterie.
Alexanders idé forble relativt uklar i årevis. Da han hørte om de nye funnene, sa han, "det var en stor overraskelse."
Tetraeder i himmelen
Cahn mente muligheten for å løse materie-antimaterie-asymmetripuslespillet med paritetsbrudd i det tidlige universet var "spekulativ, men også provoserende." I 2019 bestemte han seg for å se etter paritetsbrudd i en katalog over galakser i Sloan Digital Sky Survey. Han forventet ikke å finne noe, men mente det ville være verdt en sjekk.
For å teste om galaksefordelingen respekterer eller bryter paritet, visste han og hans samarbeidspartnere at de trengte å studere tetraedriske arrangementer av fire galakser. Dette er fordi tetraederet er den enkleste tredimensjonale formen, og bare 3D-objekter har en sjanse til å bryte pariteten. For å forstå dette, vurder hendene dine. Fordi hender er 3D, er det ingen måte å rotere en venstre for å få den til å se ut som en høyre. Snu venstre hånd over slik at tomlene på begge hender er til venstre, og hendene dine fortsatt ser annerledes ut - håndflatene vender motsatt vei. Hvis du derimot sporer en venstre hånd på et ark og klipper ut 2D-bildet, vil det å snu utklippet se ut som en høyre hånd. Utskjæringen og speilbildet er umulig å skille.
I 2020 kom Slepian og Cahn opp med en måte å definere "håndheten" til et tetraedrisk arrangement av galakser for å sammenligne antallet venstrehendte og høyrehendte på himmelen. Først tok de en galakse og så på avstandene til tre andre galakser. Hvis avstandene økte i retning med urviseren som en høyrehendt skrue, kalte de tetraederet høyrehendt. Hvis avstandene økte mot klokken, var den venstrehendt.
For å finne ut om universet som helhet har en foretrukket handenhet, måtte de gjenta analysen for alle tetraedre konstruert fra databasen deres med 1 million galakser. Det er nesten 1 billion trillioner slike tetraedre - en vanskelig liste å håndtere en om gangen. Men det utviklet seg et factoring-triks tidligere arbeid på et annet problem tillot forskerne å se på pariteten til tetraedere mer helhetlig: I stedet for å sette sammen ett tetraeder om gangen og bestemme pariteten, kunne de ta hver galakse etter tur og gruppere alle andre galakser i henhold til deres avstander fra den galaksen, lage lag som lagene til en løk. Ved å uttrykke de relative posisjonene til galakser i hvert lag i form av matematiske funksjoner av vinkler kalt sfæriske harmoniske, kunne de systematisk kombinere sett med tre lag for å lage kollektive tetraeder.
Forskerne sammenlignet deretter resultatene med deres forventninger basert på paritetsbevarende fysikklover. Hou ledet dette trinnet, og analyserte falske kataloger over galakser som hadde blitt generert ved å simulere utviklingen av universet med utgangspunkt i små, paritetsbevarende tetthetsvariasjoner. Fra disse falske katalogene kunne Hou og kollegene hennes bestemme hvordan tallet på venstre- og høyrehendte tetraedre varierer tilfeldig, selv i en speilsymmetrisk verden.
Teamet fant et "sju-sigma" nivå av paritetsbrudd i de virkelige dataene, noe som betyr at ubalansen mellom venstre- og høyrehendte tetraedre var syv ganger så stor som man kunne forvente fra tilfeldige tilfeldigheter og andre tenkelige feilkilder.
Kamionkowski kalte det "utrolig at de var i stand til å gjøre det," og la til at "teknisk sett er det helt forbløffende. Det er en veldig, veldig, veldig komplisert analyse."
Philcox brukte lignende metoder (og hadde vært medforfatter av noen tidligere artikler som foreslo en slik analyse med Hou, Slepian og Cahn), men han tok noen forskjellige valg - for eksempel ved å gruppere galaksene i færre lag enn Hou og kollegene, og utelate noen problematiske tetrahedra fra analysen — og fant derfor et mer beskjedent 2.9-sigma brudd på paritet. Forskerne studerer nå forskjellene mellom analysene deres. Selv etter omfattende forsøk på å forstå dataene, forblir alle parter forsiktige.
Bekreftende bevis
Det overraskende funnet antyder ny fysikk som potensielt kan svare på langvarige spørsmål om universet. Men arbeidet har så vidt begynt.
Først må fysikere verifisere (eller forfalske) observasjonen. Nye, ambisiøse galakseundersøkelser for å gjenta analysen er allerede i gang. Den pågående Dark Energy Spectroscopic Instrument-undersøkelsen har for eksempel registrert 14 millioner galakser så langt og vil inneholde mer enn 30 millioner når den er fullført. "Det vil gi oss en mulighet til å se på dette i mye større detalj med mye bedre statistikk," sa Cahn.
Introduksjon
Dessuten, hvis det paritetskrenkende signalet er ekte, kan det dukke opp i andre data enn distribusjonen av galakser. Det eldste lyset på himmelen, for eksempel - et strålingsbad kjent som den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, som er igjen fra det tidlige universet - gir vårt tidligste øyeblikksbilde av romlige variasjoner i kosmos. Det flekkete mønsteret til dette lyset bør inneholde de samme paritetskrenkende korrelasjonene som galaksene som ble dannet senere. Fysikere sier det skal være mulig å finne et slikt signal i lyset.
Et annet sted å se vil være mønsteret av gravitasjonsbølger som kan ha blitt generert under inflasjon, kalt den stokastiske gravitasjonsbølgebakgrunnen. Disse korketrekkerlignende krusningene i romtidsstoffet kan være høyrehendte eller venstrehendte, og i en paritetsbevarende verden vil de inneholde like mengder av hver. Så hvis fysikere klarer å måle denne bakgrunnen og finner ut at enhåndsevne er favorisert, ville dette være en entydig, uavhengig sjekk av paritetskrenkende fysikk i det tidlige universet.
Når letingen etter bekreftende bevis begynner, vil teoretikere studere modeller for inflasjon som kunne ha produsert signalet. Med Giovanni Cabass, en teoretisk fysiker ved Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, Philcox brukte nylig målingen sin til å test en rekke paritetskrenkende modeller av inflasjonen, inkludert de av Chern-Simons-typen. (De kan ennå ikke si med sikkerhet hvilken modell, om noen, er riktig.)
Alexander har også refokusert innsatsen på å forstå Chern-Simons gravitasjon. Med samarbeidspartnere inkludert Kamionkowski og Cyril Creque-Sarbinowski ved Flatiron Institutes Center for Computational Astrophysics, har Alexander begynt å utarbeide subtile detaljer om hvordan Chern-Simons gravitasjon i det tidlige universet ville påvirke distribusjonen av dagens galakser.
"Jeg var på en måte som den ensomme soldaten som presset på dette en stund," sa han. – Det er godt å se at folk interesserer seg.
Redaktørens merknad: Flatiron Institute er finansiert av Simons Foundation, som også støtter dette redaksjonelt uavhengige magasinet. I tillegg mottar Oliver Philcox midler fra Simons Foundation.
