Wprowadzenie
Fizycy uważają, że wykryli uderzającą asymetrię w układzie galaktyk na niebie. Jeśli zostanie to potwierdzone, odkrycie wskazywałoby na cechy nieznanych fundamentalnych praw, które działały podczas Wielkiego Wybuchu.
„Jeśli ten wynik jest prawdziwy, ktoś dostanie Nagrodę Nobla” – powiedział Marek Kamionkowski, fizyk z Johns Hopkins University, który nie był zaangażowany w analizę.
Jakby grając w kosmiczną grę „Połącz kropki”, naukowcy narysowali linie między zestawami czterech galaktyk, konstruując czworokątne kształty zwane czworościanami. Kiedy zbudowali każdy możliwy czworościan z katalogu 1 miliona galaktyk, odkryli, że czworościany zorientowane w jedną stronę przewyższają liczebnie ich lustrzane odbicia.
Najpierw pojawiła się wskazówka braku równowagi między czworościanami a ich lustrzanymi odbiciami zgłaszane by Olivera Philcoxa, astrofizyk z Columbia University w Nowym Jorku, w artykule opublikowanym w Przegląd fizyczny D we wrześniu. W niezależnej analizie przeprowadzonej jednocześnie, która jest obecnie poddawana wzajemnej ocenie, Jiamina Hou i Zachary Ślepian z University of Florida i Roberta Cahna Laboratorium Narodowego Lawrence Berkeley wykryte asymetrię z poziomem pewności statystycznej, który fizycy zwykle uważają za ostateczny.
Ale przy tak przebojowym znalezisku – i takim, które wciąż jest analizowane – eksperci twierdzą, że ostrożność jest uzasadniona.
„Nie ma oczywistego powodu, dla którego popełnili błąd” – powiedział Shauna Hotchkissa, kosmolog z University of Auckland. „To nie znaczy, że nie ma błędu”.
Domniemana nierównowaga narusza symetrię zwaną „parzystością”, równoważnością lewej i prawej strony. Jeśli obserwacja wytrzyma analizę, fizycy uważają, że musi odzwierciedlać nieznany, naruszający parytet składnik pierwotnego procesu, który zasiał ziarno całej struktury, która rozwinęła się w naszym wszechświecie.
„To niesamowity wynik — naprawdę imponujący” — powiedział Kamionkowski. „Czy ja w to wierzę? Poczekam, żeby naprawdę świętować”.
Wszechświat dla leworęcznych
Równość była kiedyś cenioną symetrią fizyki. Ale potem, w 1957 roku, chiński amerykański fizyk Chien-Shiung Wu przeprowadził eksperymenty z rozpadem jądrowym ujawnił że nasz Wszechświat rzeczywiście jest trochę skręcony: cząstki subatomowe biorące udział w słabym oddziaływaniu jądrowym, które powoduje rozpad jądrowy, są zawsze zorientowane magnetycznie w kierunku przeciwnym do kierunku, w którym się poruszają, tak że poruszają się po spirali jak nici lewej -śruba ręczna. Cząsteczki lustrzanego odbicia — takie jak śruby prawoskrętne — nie odczuwają słabej siły.
Rewelacja Wu była szokująca. „Wszyscy jesteśmy raczej wstrząśnięci śmiercią naszego ukochanego przyjaciela Parity” — napisał fizyk John Blatt w liście do Wolfganga Pauliego.
Lewoskrętność siły słabej ma subtelne efekty, które nie mogły wpłynąć na kosmos w galaktycznych skalach. Ale od czasu odkrycia Wu fizycy szukali innych sposobów, w jakie wszechświat różni się od swojego lustrzanego odbicia.
Jeśli, na przykład, jakieś pierwotne naruszenie parzystości miało miejsce, gdy wszechświat był w powijakach, mogło to odcisnąć piętno na strukturze kosmosu.
Uważa się, że w czasie narodzin wszechświata lub w jego pobliżu pole znane jako inflaton przeniknęło przestrzeń. Wrzący, wrzący ośrodek, w którym cząsteczki inflatonu nieustannie bulgotały i znikały, pole inflatonu również było odpychające; przez krótki czas, jaki mógł istnieć, spowodowałby gwałtowne rozszerzenie naszego wszechświata do 100 bilionów bilionów razy w stosunku do pierwotnego rozmiaru. Wszystkie te fluktuacje kwantowe cząstek w polu inflacyjnym zostały wyrzucone na zewnątrz i zamrożone w kosmosie, stając się zmianami gęstości materii. Gęstsze kieszenie nadal łączyły się grawitacyjnie, tworząc galaktyki i wielkoskalowe struktury, które widzimy dzisiaj.
W 1999 badacze m.in. Kamionkowski za co by się stało, gdyby przed tą eksplozją było więcej niż jedno pole. Pole inflacyjne mogło oddziaływać z innym polem, które mogło wytwarzać cząstki prawoskrętne i lewoskrętne. Gdyby inflaton traktował cząstki prawoskrętne inaczej niż lewoskrętne, to mógłby preferencyjnie tworzyć cząstki jednej strony względem drugiej. To tak zwane sprzężenie Cherna-Simonsa nasyciłoby wczesne fluktuacje kwantowe preferowaną kierunkowością, co przekształciłoby się w nierównowagę lewoskrętnych i prawoskrętnych czworościennych układów galaktyk.
Jeśli chodzi o to, czym może być dodatkowe pole, jedną z możliwości jest pole grawitacyjne. W tym scenariuszu doszłoby do naruszającej parytet interakcji Cherna-Simonsa między cząstkami inflatonu a grawitonami – kwantowymi jednostkami grawitacji – które pojawiłyby się w polu grawitacyjnym podczas inflacji. Taka interakcja spowodowałaby nierówność w zmianach gęstości wczesnego Wszechświata, aw konsekwencji w dzisiejszej wielkoskalowej strukturze.
Wprowadzenie
W 2006, Stefan Aleksander, fizyk obecnie na Uniwersytecie Browna, zasugerował że grawitacja Cherna-Simonsa może również potencjalnie rozwiązać jedną z największych zagadek kosmologii: dlaczego nasz wszechświat zawiera więcej materii niż antymaterii. Przypuszczał, że interakcja Cherna-Simonsa mogła dać względną obfitość lewoskrętnych grawitonów, co z kolei preferencyjnie tworzyłoby materię lewoskrętną w stosunku do antymaterii prawoskrętnej.
Pomysł Aleksandra przez lata pozostawał stosunkowo niejasny. Kiedy usłyszał o nowych odkryciach, powiedział: „to była wielka niespodzianka”.
czworościany na niebie
Cahn uważał, że możliwość rozwiązania zagadki asymetrii materii i antymaterii z naruszeniem parzystości we wczesnym wszechświecie była „spekulacją, ale także prowokacją”. W 2019 roku postanowił poszukać naruszenia parzystości w katalogu galaktyk w Sloan Digital Sky Survey. Nie spodziewał się niczego znaleźć, ale pomyślał, że warto to sprawdzić.
Aby sprawdzić, czy rozkład galaktyk przestrzega lub narusza parytet, on i jego współpracownicy wiedzieli, że muszą zbadać czworościenny układ czterech galaktyk. Dzieje się tak, ponieważ czworościan jest najprostszym trójwymiarowym kształtem i tylko obiekty 3D mają szansę na naruszenie parzystości. Aby to zrozumieć, spójrz na swoje ręce. Ponieważ dłonie są trójwymiarowe, nie ma możliwości obrócenia lewej, aby wyglądała jak prawa. Odwróć lewą rękę tak, aby kciuki obu dłoni znajdowały się po lewej stronie, a twoje dłonie nadal wyglądały inaczej - dłonie są skierowane w przeciwne strony. Z drugiej strony, jeśli prześledzisz lewą rękę na kartce papieru i wytniesz obraz 3D, odwrócenie wycięcia sprawi, że będzie wyglądać jak prawa ręka. Wycięcie i jego lustrzane odbicie są nie do odróżnienia.
W 2020 roku Slepian i Cahn wymyślili sposób definiowania „skrętności” czworościennego układu galaktyk, aby porównać liczbę lewoskrętnych i prawoskrętnych galaktyk na niebie. Najpierw wzięli galaktykę i spojrzeli na odległości do trzech innych galaktyk. Jeśli odległości zwiększały się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, jak śruba prawoskrętna, czworościan nazywali prawoskrętnymi. Jeśli odległości zwiększały się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, było to leworęczne.
Aby ustalić, czy wszechświat jako całość ma preferowaną kierunkowość, musieli powtórzyć analizę dla wszystkich czworościanów zbudowanych z ich bazy danych zawierającej 1 milion galaktyk. Istnieje prawie 1 bilion bilionów takich czworościanów — trudna lista do obsłużenia pojedynczo. Ale rozwinęła się sztuczka z faktoringiem wcześniejsza praca na inny problem pozwolił naukowcom spojrzeć na parzystość czworościanów bardziej holistycznie: zamiast montować jeden czworościan na raz i określać jego parzystość, mogliby po kolei wziąć każdą galaktykę i pogrupować wszystkie inne galaktyki zgodnie z ich odległościami od tej galaktyki, tworząc warstwy jak warstwy cebuli. Wyrażając względne pozycje galaktyk w każdej warstwie za pomocą matematycznych funkcji kątów zwanych harmonicznymi sferycznymi, mogli systematycznie łączyć zestawy trzech warstw, tworząc zbiorcze czworościany.
Następnie naukowcy porównali wyniki ze swoimi oczekiwaniami opartymi na prawach fizyki zachowujących parytet. Hou poprowadził ten krok, analizując fałszywe katalogi galaktyk, które zostały wygenerowane poprzez symulację ewolucji wszechświata, zaczynając od niewielkich, zachowujących parytet zmian gęstości. Na podstawie tych fałszywych katalogów Hou i jej współpracownicy mogli ustalić, w jaki sposób przypadkowo zmienia się zestawienie lewoskrętnych i prawoskrętnych czworościanów, nawet w lustrzanie symetrycznym świecie.
Zespół odkrył poziom naruszenia parzystości „siedem sigma” w rzeczywistych danych, co oznacza, że nierównowaga między lewoskrętnymi i prawoskrętnymi czworościanami była siedmiokrotnie większa, niż można by oczekiwać na podstawie losowego przypadku i innych możliwych źródeł błędów.
Kamionkowski nazwał to „niewiarygodnym, że byli w stanie to zrobić”, dodając, że „technicznie jest to absolutnie zdumiewające. To naprawdę, bardzo, bardzo skomplikowana analiza”.
Philcox stosował podobne metody (i był współautorem kilku wcześniejszych artykułów proponujących taką analizę wraz z Hou, Slepianem i Cahnem), ale dokonał kilku innych wyborów — na przykład grupując galaktyki w mniej warstw niż Hou i współpracownicy oraz pomijając niektóre problematyczne tetrahedra z analizy — i dlatego znalazł skromniejsze naruszenie parzystości 2.9 sigma. Naukowcy badają teraz różnice między ich analizami. Nawet po szeroko zakrojonych wysiłkach zmierzających do zrozumienia danych, wszystkie strony zachowują ostrożność.
Dowody potwierdzające
Zaskakujące odkrycie wskazuje na nową fizykę, która może potencjalnie odpowiedzieć na długo zadawane pytania dotyczące wszechświata. Ale prace dopiero się rozpoczęły.
Najpierw fizycy muszą zweryfikować (lub sfalsyfikować) obserwację. Trwają już nowe, ambitne przeglądy galaktyk, na podstawie których można powtórzyć analizę. Na przykład trwający przegląd Dark Energy Spectroscopic Instrument zarejestrował do tej pory 14 milionów galaktyk, a po jego zakończeniu będzie ich więcej niż 30 milionów. „Da nam to możliwość przyjrzenia się temu bardziej szczegółowo z dużo lepszymi statystykami” — powiedział Cahn.
Wprowadzenie
Co więcej, jeśli sygnał naruszający parzystość jest prawdziwy, może pojawić się w danych innych niż rozkład galaktyk. Na przykład najstarsze światło na niebie – kąpiel promieniowania znana jako kosmiczne mikrofalowe tło, pozostałość po wczesnym wszechświecie – dostarcza naszej najwcześniejszej migawki przestrzennych zmian w kosmosie. Pstrokaty wzór tego światła powinien zawierać te same korelacje naruszające parzystość, co galaktyki, które powstały później. Fizycy twierdzą, że powinno być możliwe znalezienie takiego sygnału w świetle.
Innym miejscem do obejrzenia będzie wzór fal grawitacyjnych, które mogły powstać podczas inflacji, zwany stochastycznym tłem fali grawitacyjnej. Te przypominające korkociąg zmarszczki w tkaninie czasoprzestrzennej mogą być prawoskrętne lub lewoskrętne, aw świecie zachowującym parytet zawierałyby równe ilości każdego z nich. Więc jeśli fizycy zdołają zmierzyć to tło i stwierdzą, że preferowana jest jednoręczność, byłoby to jednoznaczne, niezależne sprawdzenie fizyki naruszającej parytet we wczesnym wszechświecie.
Gdy rozpocznie się poszukiwanie potwierdzających dowodów, teoretycy będą badać modele inflacji, które mogły wytworzyć sygnał. Z Giovanniego Kabasa, fizyk teoretyczny w Institute for Advanced Study w Princeton, New Jersey, Philcox ostatnio wykorzystał swoje pomiary do przetestować mnóstwo modeli naruszających parytet inflacji, w tym typu Cherna-Simonsa. (Nie mogą jeszcze z całą pewnością powiedzieć, który model, jeśli w ogóle, jest poprawny).
Alexander ponownie skoncentrował swoje wysiłki na zrozumieniu grawitacji Chern-Simons. Ze współpracownikami m.in. Kamionkowskim i Cyryla Creque-Sarbinowskiego z Centrum Astrofizyki Obliczeniowej Instytutu Flatiron, Alexander zaczął opracowywać subtelne szczegóły dotyczące wpływu grawitacji Cherna-Simonsa we wczesnym Wszechświecie na rozmieszczenie dzisiejszych galaktyk.
„Byłem trochę jak samotny żołnierz pchający te rzeczy przez jakiś czas” – powiedział. „Dobrze, że ludzie się tym interesują”.
Uwaga wydawcy: Instytut Flatiron jest finansowany przez Fundację Simonsa, która wspiera również ten niezależny pod względem redakcyjnym magazyn. Ponadto Oliver Philcox otrzymuje fundusze z Fundacji Simonsa.
