Asimetrie detectată în distribuția galaxiilor

Fizicienii cred că au detectat o asimetrie izbitoare în aranjamentele galaxiilor de pe cer. Dacă ar fi confirmată, descoperirea ar indica caracteristici ale legilor fundamentale necunoscute care au funcționat în timpul Big Bang-ului.

„Dacă acest rezultat este real, cineva va primi un premiu Nobel”, a spus Marc Kamionkowski, un fizician la Universitatea Johns Hopkins care nu a fost implicat în analiză.

De parcă ar fi jucat un joc cosmic Connect the Dots, cercetătorii au trasat linii între seturi de patru galaxii, construind forme cu patru colțuri numite tetraedre. După ce au construit fiecare tetraedru posibil dintr-un catalog de 1 milion de galaxii, au descoperit că tetraedrele orientate într-un fel depășesc numeric imaginile lor în oglindă.

Un indiciu al dezechilibrului dintre tetraedre și imaginile lor în oglindă a fost primul raportate by Oliver Philcox, astrofizician la Universitatea Columbia din New York, într-o lucrare publicată în Revizuirea fizică D in septembrie. Într-o analiză independentă efectuată simultan, care este acum în curs de evaluare inter pares, Jiamin Hou și Zachary Slepian al Universității din Florida și Robert Cahn al Laboratorului Naţional Lawrence Berkeley detectat asimetria cu un nivel de certitudine statistică pe care fizicienii îl consideră de obicei definitiv.

Dar cu o astfel de descoperire de succes – și una care este încă în curs de revizuire – experții spun că se impune precauție.

„Nu există niciun motiv evident pentru care au făcut o greșeală”, a spus Shaun Hotchkiss, un cosmolog la Universitatea din Auckland. „Asta nu înseamnă că nu există o greșeală.”

Dezechilibrul presupus încalcă o simetrie numită „paritate”, o echivalență între stânga și dreapta. Dacă observația rezistă examinării, fizicienii cred că trebuie să reflecte un ingredient necunoscut, care încalcă paritatea, în procesul primordial care a semănat semințele întregii structuri care s-au dezvoltat în universul nostru.

„Este un rezultat incredibil – cu adevărat impresionant”, a spus Kamionkowski. „O cred? Voi aștepta să sărbătoresc cu adevărat.”

Universul stângaci

Paritatea a fost cândva o simetrie prețuită a fizicii. Dar apoi, în 1957, fizicianul chinezo-american Chien-Shiung Wu experimentele de dezintegrare nucleară dezvăluit că universul nostru are într-adevăr o ușoară mânuire: particulele subatomice implicate în forța nucleară slabă, care provoacă dezintegrarea nucleară, sunt întotdeauna orientate magnetic în direcția opusă celei în care se mișcă, astfel încât ele în spirală ca firele unei stângi. -surub cu mana. Particulele din imaginea în oglindă – cele precum șuruburile drepte – nu simt forța slabă.

Dezvăluirea lui Wu a fost șocantă. „Suntem cu toții destul de zdruncinați de moartea iubitului nostru prieten, paritatea”, a scris fizicianul John Blatt într-o scrisoare către Wolfgang Pauli.

Stângacul forței slabe are efecte subtile care nu ar fi putut influența cosmosul la scară galactică. Dar încă de la descoperirea lui Wu, fizicienii au căutat alte moduri în care universul diferă de imaginea în oglindă.

Dacă, de exemplu, o încălcare a parității primordiale a fost în vigoare atunci când universul era la început, ar fi putut imprima o întorsătură structurii cosmosului.

La sau aproape de momentul nașterii universului, se crede că un câmp cunoscut sub numele de inflaton a pătruns în spațiu. Un mediu agitat, fierbinte, unde particulele de inflaton barbotau continuu și dispăreau, câmpul de inflaton era, de asemenea, respingător; pentru scurta perioadă în care ar fi existat, ar fi făcut ca universul nostru să se extindă rapid la 100 de trilioane de trilioane de ori dimensiunea sa inițială. Toate aceste fluctuații cuantice ale particulelor din câmpul de inflație au fost aruncate în exterior și înghețate în cosmos, devenind variații ale densității materiei. Pungile mai dense au continuat să se unească gravitațional pentru a produce galaxiile și structura la scară mare pe care le vedem astăzi.

În 1999, cercetători, inclusiv Kamionkowski luate în considerare ce s-ar întâmpla dacă mai mult de un câmp ar fi prezent înainte de această explozie. Câmpul de inflaton ar fi putut interacționa cu un alt câmp care ar putea produce particule dreptaci și stângaci. Dacă inflatonul a tratat particulele dreptaci în mod diferit față de cele stângaci, atunci ar fi putut crea de preferință particule de o mână față de cealaltă. Această așa-numită cuplare Chern-Simons ar fi impregnat fluctuațiile cuantice timpurii cu o manieră preferată, care ar fi evoluat într-un dezechilibru al aranjamentelor tetraedrice ale galaxiilor cu mâna stângă și cea dreaptă.

Cât despre care ar putea fi câmpul suplimentar, o posibilitate este câmpul gravitațional. În acest scenariu, ar avea loc o interacțiune Chern-Simons care încalcă paritatea între particulele de inflaton și gravitoni - unitățile cuantice de gravitație - care ar fi apărut în câmpul gravitațional în timpul inflației. O astfel de interacțiune ar fi creat o manevrabilitate în variațiile de densitate ale universului timpuriu și, în consecință, în structura la scară largă de astăzi.

În 2006, Stefan Alexandru, fizician acum la Universitatea Brown, sugerat că gravitația lui Chern-Simon ar putea, de asemenea, să rezolve unul dintre cele mai mari mistere din cosmologie: de ce universul nostru conține mai multă materie decât antimaterie. El a presupus că interacțiunea Chern-Simons ar fi putut produce o abundență relativă de gravitoni stângaci, care, la rândul lor, ar crea de preferință materie pentru stânga față de antimaterie pentru dreapta.

Ideea lui Alexandru a rămas relativ obscură ani de zile. Când a auzit de noile descoperiri, a spus: „A fost o mare surpriză”.

Tetraedre pe cer

Cahn a considerat că posibilitatea de a rezolva puzzle-ul asimetriei materie-antimaterie cu încălcarea parității în universul timpuriu era „speculative, dar și provocatoare”. În 2019, a decis să caute încălcarea parității într-un catalog de galaxii din Sloan Digital Sky Survey. Nu se aștepta să găsească nimic, dar s-a gândit că ar merita să fie verificat.

Pentru a testa dacă distribuția galaxiilor respectă sau încalcă paritatea, el și colaboratorii săi știau că trebuie să studieze aranjamentele tetraedrice a patru galaxii. Acest lucru se datorează faptului că tetraedrul este cea mai simplă formă tridimensională și doar obiectele 3D au șansa de a încălca paritatea. Pentru a înțelege acest lucru, luați în considerare mâinile dvs. Deoarece mâinile sunt 3D, nu există nicio modalitate de a roti una stânga pentru a o face să arate ca una dreaptă. Întoarceți-vă mâna stângă astfel încât degetele mari ale ambelor mâini să fie pe stânga, iar mâinile să arate în continuare diferit - palmele sunt orientate în sens opus. În schimb, dacă trasezi o mână stângă pe o foaie de hârtie și decupezi imaginea 2D, răsturnând decupajul o face să arate ca o mână dreaptă. Decupajul și imaginea sa în oglindă nu se pot distinge.

În 2020, Slepian și Cahn au venit cu o modalitate de a defini „mâna” unui aranjament tetraedric de galaxii pentru a compara numărul de galaxii stângaci și dreptaci de pe cer. Mai întâi au luat o galaxie și s-au uitat la distanțele până la alte trei galaxii. Dacă distanțele creșteau în sensul acelor de ceasornic ca un șurub cu mâna dreaptă, ei au numit tetraedrul dreptate. Dacă distanțele creșteau în sens invers acelor de ceasornic, era stângaci.

Pentru a determina dacă universul în ansamblu are o manieră preferată, au trebuit să repete analiza pentru toate tetraedrele construite din baza lor de date de 1 milion de galaxii. Există aproape 1 trilion de trilioane de astfel de tetraedre - o listă insolubilă de gestionat unul câte unul. Dar s-a dezvoltat un truc de factoring munca anterioară pe o altă problemă, le-a permis cercetătorilor să privească paritatea tetraedrelor într-un mod mai holistic: în loc să adună câte un tetraedru odată și să-i determine paritatea, ei ar putea lua fiecare galaxie pe rând și grupa toate celelalte galaxii în funcție de distanța lor față de acea galaxie, creând straturi ca cele ale unei cepe. Exprimând pozițiile relative ale galaxiilor din fiecare strat în termeni de funcții matematice ale unghiurilor numite armonice sferice, ele ar putea combina în mod sistematic seturi de trei straturi pentru a forma tetraedre colective.

Cercetătorii au comparat apoi rezultatele cu așteptările lor pe baza legilor fizicii care păstrează paritatea. Hou a condus acest pas, analizând cataloage false de galaxii care au fost generate prin simularea evoluției universului pornind de la variații minuscule de densitate care păstrează paritatea. Din aceste cataloage simulate, Hou și colegii ei au putut determina cum variază aleatoriu numărul de tetraedre stângaci și dreptaci, chiar și într-o lume simetrică în oglindă.

Echipa a descoperit un nivel de „șapte sigma” de încălcare a parității în datele reale, ceea ce înseamnă că dezechilibrul dintre tetraedrele stângaci și dreptaci a fost de șapte ori mai mare decât se putea aștepta de la șansa întâmplătoare și alte surse de eroare imaginabile.

Kamionkowski a numit „incredibil că au fost capabili să facă asta”, adăugând că „din punct de vedere tehnic, este absolut uluitor. Este o analiză foarte, foarte, foarte complicată.”

Philcox a folosit metode similare (și a fost coautor al unor lucrări anterioare care propuneau o astfel de analiză împreună cu Hou, Slepian și Cahn), dar a făcut câteva alegeri diferite - de exemplu, gruparea galaxiilor în mai puține straturi decât Hou și colegii și omițând unele probleme problematice. tetraedre din analiză - și, prin urmare, au găsit o încălcare mai modestă de 2.9 sigma a parității. Cercetătorii studiază acum diferențele dintre analizele lor. Chiar și după eforturi ample de a înțelege datele, toate părțile rămân precaute.

Dovezi de coroborare

Descoperirea surprinzătoare sugerează o nouă fizică care ar putea răspunde la întrebări de lungă durată despre univers. Dar munca abia a început.

În primul rând, fizicienii trebuie să verifice (sau să falsifice) observația. Sunt deja în curs de desfășurare noi sondaje ambițioase ale galaxiilor asupra cărora să se repete analiza. Sondajul în curs de desfășurare a Instrumentului spectroscopic al energiei întunecate, de exemplu, a înregistrat până acum 14 milioane de galaxii și va conține peste 30 de milioane când va fi finalizat. „Asta ne va oferi oportunitatea de a privi acest lucru în detaliu, cu statistici mult mai bune”, a spus Cahn.

Mai mult, dacă semnalul care încalcă paritatea este real, acesta ar putea apărea în alte date decât distribuția galaxiilor. Cea mai veche lumină de pe cer, de exemplu – o baie de radiații cunoscută sub numele de fundal cosmic cu microunde, rămasă din universul timpuriu – oferă cel mai vechi instantaneu al variațiilor spațiale din cosmos. Modelul petet al acestei lumini ar trebui să conțină aceleași corelații de încălcare a parității ca și galaxiile care s-au format mai târziu. Fizicienii spun că ar trebui să fie posibil să se găsească un astfel de semnal în lumină.

Un alt loc de căutat va fi modelul undelor gravitaționale care ar fi putut fi generat în timpul inflației, numit fundalul undelor gravitaționale stocastice. Aceste ondulații asemănătoare unui tirbușon din țesătura spațiu-timp pot fi dreptaci sau stângaci, iar într-o lume care păstrează paritatea, ar conține cantități egale din fiecare. Așadar, dacă fizicienii reușesc să măsoare acest fundal și să descopere că o singură mână este favorizată, aceasta ar fi o verificare fără ambiguitate și independentă a fizicii care încalcă paritatea în universul timpuriu.

Pe măsură ce începe căutarea unor dovezi de coroborare, teoreticienii vor studia modele de inflație care ar fi putut produce semnalul. Cu Giovanni Cabass, un fizician teoretician la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, New Jersey, Philcox și-a folosit recent măsurarea pentru a testați o mulțime de modele care încalcă paritatea a inflaţiei, inclusiv cele de tip Chern-Simons. (Nu pot spune încă cu certitudine care model, dacă există, este corect.)

De asemenea, Alexandru și-a reorientat eforturile pe înțelegerea gravitației Chern-Simons. Cu colaboratori printre care Kamionkowski și Cyril Creque-Sarbinowski de la Centrul pentru Astrofizică Computațională al Institutului Flatiron, Alexander a început să elaboreze detalii subtile despre modul în care gravitația Chern-Simons din universul timpuriu ar influența distribuția galaxiilor de astăzi.

„Am fost un fel ca soldatul singuratic care a împins chestiile astea pentru o vreme”, a spus el. „Este bine să vezi oameni interesați.”

Nota editorului: Institutul Flatiron este finanțat de Fundația Simons, care susține și această revistă independentă din punct de vedere editorial. În plus, Oliver Philcox primește finanțare de la Fundația Simons.