Введение
Физики считают, что обнаружили поразительную асимметрию в расположении галактик на небе. Если это подтвердится, открытие укажет на особенности неизвестных фундаментальных законов, действовавших во время Большого взрыва.
«Если этот результат реален, кто-то получит Нобелевскую премию», — сказал он. Марк Камионковски, физик из Университета Джона Хопкинса, который не участвовал в анализе.
Словно играя в космическую игру «Соедини точки», исследователи провели линии между наборами из четырех галактик, создав четырехугольные фигуры, называемые тетраэдрами. Когда они построили все возможные тетраэдры из каталога в 1 миллион галактик, они обнаружили, что тетраэдров, ориентированных в одну сторону, больше, чем их зеркальных изображений.
Намек на дисбаланс между тетраэдрами и их зеркальными отображениями был впервые переправу by Оливер Филкокс, астрофизик Колумбийского университета в Нью-Йорке, в статье, опубликованной в Физический обзор D в сентябре. В независимом анализе, проведенном одновременно, который сейчас проходит экспертную оценку, Цзямин Хоу и Закари Слепян Университета Флориды и Роберт Кан Национальной лаборатории Лоуренса Беркли обнаруженный асимметрия с уровнем статистической достоверности, который физики обычно считают определяющим.
Но с таким блокбастером, который все еще находится на рассмотрении, эксперты говорят, что осторожность оправдана.
«Нет никакой очевидной причины, по которой они совершили ошибку, — сказал Шон Хотчкисс, космолог из Оклендского университета. — Это не значит, что ошибки нет.
Предполагаемый дисбаланс нарушает симметрию, называемую «четностью», эквивалентность левого и правого. Если наблюдение выдерживает проверку, физики считают, что оно должно отражать неизвестный, нарушающий четность компонент изначального процесса, который посеял семена всей структуры, развившейся в нашей Вселенной.
«Это невероятный результат — действительно впечатляющий», — сказал Камионковски. «Верю ли я этому? Я подожду, чтобы по-настоящему отпраздновать».
Леворукая Вселенная
Когда-то четность была заветной симметрией в физике. Но затем, в 1957 году, эксперименты по ядерному распаду американского физика китайского происхождения Чиен-Шиунг Ву показал, что наша Вселенная действительно имеет небольшую ориентацию по отношению к ней: субатомные частицы, участвующие в слабом ядерном взаимодействии, которое вызывает ядерный распад, всегда магнитно ориентированы в направлении, противоположном тому, в котором они движутся, так что они спиралевидны, как нити левой -ручной винт. Зеркальные частицы — такие, как правые винты — не чувствуют слабого взаимодействия.
Откровение Ву было шокирующим. «Мы все немного потрясены смертью нашего любимого друга Паритета», — писал физик Джон Блатт в письме Вольфгангу Паули.
Левизна слабого взаимодействия имеет тонкие эффекты, которые не могли повлиять на космос в галактических масштабах. Но с момента открытия Ву физики искали другие способы, которыми Вселенная отличается от своего зеркального отражения.
Если бы, например, какое-то изначальное нарушение четности действовало, когда Вселенная была в зачаточном состоянии, это могло бы запечатлеть поворот в структуре космоса.
Считается, что во время или почти во время рождения Вселенной поле, известное как инфлатон, пронизывало пространство. Бурлящая, кипящая среда, в которой частицы инфлатона непрерывно пузырились и исчезали, поле инфлатона тоже было отталкивающим; в течение короткого времени, когда она могла существовать, наша Вселенная быстро расширилась до 100 триллионов триллионов раз по сравнению с ее первоначальным размером. Все эти квантовые флуктуации частиц в поле инфлатона были выброшены наружу и застыли в космосе, превратившись в вариации плотности материи. Более плотные карманы продолжали гравитационно сливаться, создавая галактики и крупномасштабные структуры, которые мы видим сегодня.
В 1999 году исследователи, в том числе Камионковский считается что произошло бы, если бы перед этим взрывом присутствовало более одного поля. Поле инфлатона могло взаимодействовать с другим полем, которое могло производить правые и левые частицы. Если бы инфлатон обращался с правовинтовыми частицами иначе, чем с левовинтовыми, то он мог бы создавать частицы одной направленности предпочтительнее, чем частицы другой. Это так называемое взаимодействие Черна-Саймонса должно было придать ранним квантовым флуктуациям предпочтительную направленность, что привело бы к дисбалансу левостороннего и правостороннего тетраэдрического расположения галактик.
Что касается того, каким может быть дополнительное поле, то одним из возможных вариантов является гравитационное поле. В этом сценарии между инфлатонными частицами и гравитонами — квантовыми единицами гравитации — возникнет взаимодействие Черна-Саймонса, нарушающее четность, которое возникнет в гравитационном поле во время инфляции. Такое взаимодействие создало бы неравномерность в вариациях плотности ранней Вселенной и, следовательно, в сегодняшней крупномасштабной структуре.
Введение
В 2006 Стефон Александр, физик, сейчас работающий в Брауновском университете, предложенный что гравитация Черна-Саймонса также потенциально может решить одну из самых больших загадок космологии: почему наша Вселенная содержит больше материи, чем антиматерии. Он предположил, что взаимодействие Черна-Саймонса могло привести к относительному изобилию левых гравитонов, которые, в свою очередь, предпочтительнее создавали левостороннюю материю, а не правостороннюю антиматерию.
Идея Александра оставалась относительно неясной в течение многих лет. Когда он услышал о новых находках, он сказал: «Это было большим сюрпризом».
Тетраэдры в небе
Кан считал, что возможность решения загадки асимметрии материи и антивещества с нарушением четности в ранней Вселенной была «спекулятивной, но также и провокационной». В 2019 году он решил поискать нарушение паритета в каталоге галактик Слоановского цифрового обзора неба. Он не ожидал найти что-нибудь, но подумал, что стоит проверить.
Чтобы проверить, соответствует ли распределение галактик четности или нарушается, он и его сотрудники знали, что им необходимо изучить тетраэдрическое расположение четырех галактик. Это связано с тем, что тетраэдр является простейшей трехмерной формой, и только трехмерные объекты имеют шанс нарушить четность. Чтобы понять это, рассмотрите свои руки. Поскольку руки трехмерны, нет возможности повернуть левую руку так, чтобы она выглядела как правая. Переверните левую руку так, чтобы большие пальцы обеих рук оказались слева, и ваши руки все равно выглядят по-другому — ладони обращены в разные стороны. Напротив, если вы обведете левую руку на листе бумаги и вырежете 3D-изображение, перевернув вырез, он будет выглядеть как правая рука. Вырез и его зеркальное отражение неразличимы.
В 2020 году Слепян и Кан придумали способ определения «направленности» тетраэдрического расположения галактик, чтобы сравнить количество левых и правых галактик на небе. Сначала они взяли галактику и посмотрели на расстояния до трех других галактик. Если расстояния увеличивались по часовой стрелке наподобие правого винта, то тетраэдр называли правовинтовым. Если расстояния увеличивались против часовой стрелки, это было левосторонним движением.
Чтобы определить, имеет ли Вселенная в целом предпочтительную хиральность, им пришлось повторить анализ для всех тетраэдров, составленных из их базы данных из 1 миллиона галактик. Таких тетраэдров насчитывается почти 1 триллион триллионов — неразрешимый список, чтобы обрабатывать по одному. Но факторинговая уловка, разработанная в более ранняя работа Решение другой проблемы позволило исследователям взглянуть на четность тетраэдров более целостно: вместо того, чтобы собирать по одному тетраэдру и определять его четность, они могли взять каждую галактику по очереди и сгруппировать все остальные галактики в соответствии с их расстоянием от этой галактики. создание слоев, подобных слоям луковицы. Выражая относительное положение галактик в каждом слое с помощью математических функций углов, называемых сферическими гармониками, они могли систематически комбинировать наборы из трех слоев для создания коллективных тетраэдров.
Затем исследователи сравнили результаты со своими ожиданиями, основанными на законах физики, сохраняющих четность. Хоу возглавил этот шаг, проанализировав фальшивые каталоги галактик, которые были созданы путем моделирования эволюции Вселенной, начиная с крошечных, сохраняющих четность вариаций плотности. Из этих фиктивных каталогов Хоу и ее коллеги смогли определить, как количество левых и правых тетраэдров случайным образом меняется даже в зеркально-симметричном мире.
Команда обнаружила в реальных данных уровень нарушения четности «семь сигм», а это означает, что дисбаланс между левыми и правыми тетраэдрами был в семь раз больше, чем можно было ожидать от случайного случая и других возможных источников ошибок.
Камионковски назвал «невероятным, что они смогли это сделать», добавив, что «технически это просто поразительно. Это очень, очень, очень сложный анализ».
Филкокс использовал аналогичные методы (и был соавтором нескольких более ранних работ, в которых предлагался такой анализ вместе с Хоу, Слепяном и Каном), но он сделал несколько иной выбор — например, сгруппировал галактики в меньшее количество слоев, чем Хоу и его коллеги, и опустил некоторые проблемные области. тетраэдров из анализа — и, следовательно, обнаружил более скромное нарушение четности 2.9 сигма. В настоящее время исследователи изучают различия между их анализами. Даже после обширных усилий по пониманию данных все стороны остаются осторожными.
Подтверждающие доказательства
Удивительное открытие намекает на новую физику, которая потенциально может ответить на давние вопросы о Вселенной. Но работа только началась.
Сначала физикам нужно проверить (или опровергнуть) наблюдение. Новые амбициозные исследования галактик, на которых можно повторить анализ, уже ведутся. Например, текущий обзор Dark Energy Spectroscopic Instrument, к настоящему моменту зарегистрировал 14 миллионов галактик и будет содержать более 30 миллионов, когда он будет завершен. «Это даст нам возможность рассмотреть это более подробно и с гораздо более точной статистикой», — сказал Кан.
Введение
Более того, если сигнал, нарушающий четность, реален, он может проявиться в данных, отличных от распределения галактик. Например, самый старый свет в небе — ванна излучения, известная как космический микроволновый фон, оставшийся от ранней Вселенной, — дает нам самый ранний снимок пространственных изменений в космосе. Пятнистая картина этого света должна содержать те же корреляции, нарушающие четность, что и галактики, которые образовались позже. Физики говорят, что такой сигнал можно найти в свете.
Другим местом, на которое стоит обратить внимание, будет модель гравитационных волн, которые могли быть сгенерированы во время инфляции, называемая стохастическим фоном гравитационных волн. Эти штопорообразные ряби в ткани пространства-времени могут быть правосторонними или левосторонними, и в мире, сохраняющем четность, они будут содержать равное количество каждого из них. Поэтому, если физикам удастся измерить этот фон и обнаружить, что предпочтение отдается однорукости, это будет недвусмысленная, независимая проверка физики, нарушающей четность, в ранней Вселенной.
По мере того, как начнется поиск подтверждающих данных, теоретики будут изучать модели инфляции, которые могли дать сигнал. С Джованни Кабасс, физик-теоретик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, Филкокс недавно использовал свои измерения для протестировать множество моделей, нарушающих четность инфляции, в том числе типа Черна-Саймонса. (Они пока не могут с уверенностью сказать, какая модель является правильной.)
Александр также переориентировал свои усилия на понимание гравитации Черна-Саймонса. С сотрудниками, включая Камионковского и Сирил Креке-Сарбиновски из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрона Александр начал прорабатывать тонкие детали того, как гравитация Черна-Саймонса в ранней Вселенной влияла на распределение сегодняшних галактик.
«Некоторое время я был похож на солдата-одиночку, толкающего эту штуку», — сказал он. «Приятно видеть, что люди проявляют интерес».
Примечание редактора: Flatiron Institute финансируется Фондом Саймонса, который также поддерживает этот редакционно независимый журнал. Кроме того, Оливер Филкокс получает финансирование от Фонда Саймонса.
