Predstavitev
Fiziki menijo, da so zaznali osupljivo asimetrijo v razporeditvi galaksij na nebu. Če bi bila ugotovitev potrjena, bi ugotovitev pokazala na značilnosti neznanih temeljnih zakonov, ki so delovali med velikim pokom.
"Če je ta rezultat resničen, bo nekdo dobil Nobelovo nagrado," je rekel Marc Kamionkowski, fizik z univerze Johns Hopkins, ki ni sodeloval pri analizi.
Kot da bi igrali kozmično igro Connect the Dots, so raziskovalci narisali črte med nizi štirih galaksij in zgradili štirikotne oblike, imenovane tetraedri. Ko so zgradili vse možne tetraedre iz kataloga 1 milijona galaksij, so ugotovili, da enosmerno usmerjeni tetraedri presegajo število svojih zrcalnih podob.
Najprej je bil namig na neravnovesje med tetraedri in njihovimi zrcalnimi slikami poročali by Oliver Philcox, astrofizik na univerzi Columbia v New Yorku, v članku, objavljenem v Fizični pregled D v septembru. V neodvisni analizi, izvedeni sočasno, ki je zdaj v medsebojnem pregledu, Jiamin Hou in Zachary Slepian Univerze na Floridi in Robert Cahn Nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley Zaznali asimetrija s stopnjo statistične gotovosti, ki jo fiziki običajno smatrajo za dokončno.
Vendar pa strokovnjaki pravijo, da je pri tako uspešni ugotovitvi – in tisti, ki je še v pregledu – potrebna previdnost.
"Ni očitnega razloga, da so naredili napako," je rekel Shaun Hotchkiss, kozmolog na Univerzi v Aucklandu. "To ne pomeni, da ni napake."
Domnevno neravnovesje krši simetrijo, imenovano "pariteta", enakovrednost levice in desnice. Če opazovanje zdrži nadzor, fiziki menijo, da mora odražati neznano sestavino, ki krši pariteto, v prvobitnem procesu, ki je zasejal semena vseh struktur, ki so se razvile v našem vesolju.
"To je neverjeten rezultat - res impresiven," je dejal Kamionkowski. »Ali verjamem? Počakal bom, da zares praznujem.”
Levičarsko vesolje
Pariteta je bila nekoč cenjena simetrija fizike. Toda leta 1957 so poskusi jedrskega razpada kitajskega ameriškega fizika Chien-Shiung Wuja je pokazala, da je naše vesolje zares nekoliko nagnjeno k temu: subatomski delci, vključeni v šibko jedrsko silo, ki povzroča jedrski razpad, so vedno magnetno usmerjeni v nasprotno smer od tiste, v kateri se gibljejo, tako da se spiralno vrtijo kot niti leve -ročni vijak. Delci zrcalne slike - tisti, kot so desni vijaki - ne čutijo šibke sile.
Wujevo razkritje je bilo šokantno. "Vsi smo precej pretreseni zaradi smrti našega ljubljenega prijatelja, Parityja," je v pismu Wolfgangu Pauliju zapisal fizik John Blatt.
Levičarstvo šibke sile ima subtilne učinke, ki ne bi mogli vplivati na kozmos v galaktičnih merilih. Toda vse od Wujevega odkritja so fiziki iskali druge načine, kako se vesolje razlikuje od svoje zrcalne slike.
Če je bila na primer neka prvotna kršitev paritete v veljavi, ko je bilo vesolje v povojih, bi to lahko vtisnilo zasuk v strukturo kozmosa.
Ob ali blizu časa rojstva vesolja naj bi polje, znano kot inflaton, preželo vesolje. Vrelo, vrelo sredstvo, kjer so delci inflatona nenehno brbotali in izginjali, je bilo tudi polje inflatonov odbijajoče; za kratek čas, ko bi morda obstajal, bi povzročilo, da bi se naše vesolje hitro razširilo na 100 bilijonov bilijonov krat svoje prvotne velikosti. Vsa ta kvantna nihanja delcev v inflatonskem polju so bila vržena navzven in zamrznjena v kozmos ter postala variacije v gostoti snovi. Gostejši žepi so se še naprej gravitacijsko združevali, da so nastale galaksije in obsežne strukture, ki jih vidimo danes.
Leta 1999 so raziskovalci, med njimi Kamionkowski šteje kaj bi se zgodilo, če bi bilo pred to eksplozijo prisotnih več kot eno polje. Inflatonsko polje bi lahko vplivalo na drugo polje, ki bi lahko proizvedlo desnosučne in levosučne delce. Če bi inflaton obravnaval desnosučne delce drugače kot levosučne, potem bi lahko prednostno ustvaril delce ene ročnosti kot druge. Ta tako imenovana Chern-Simonsova sklopitev bi prežela zgodnja kvantna nihanja s prednostno ročnostjo, ki bi se razvila v neravnovesje levo- in desnosučnih tetraedrskih razporeditev galaksij.
Glede tega, kaj bi lahko bilo dodatno polje, je ena možnost gravitacijsko polje. V tem scenariju bi prišlo do interakcije Chern-Simons, ki krši pariteto, med inflatonskimi delci in gravitoni – kvantnimi gravitacijskimi enotami – ki bi se med inflacijo pojavili v gravitacijskem polju. Takšna interakcija bi ustvarila ročnost v variacijah gostote zgodnjega vesolja in posledično v današnji obsežni strukturi.
Predstavitev
V 2006, Stephon Alexander, fizik, zdaj na Univerzi Brown, predlagano da bi lahko Chern-Simonsova gravitacija potencialno rešila tudi eno največjih skrivnosti v kozmologiji: zakaj naše vesolje vsebuje več snovi kot antimaterije. Domneval je, da bi interakcija Chern-Simons lahko povzročila relativno obilje levosučnih gravitonov, ki bi posledično prednostno ustvarili levosučno snov kot desnosučno antimaterijo.
Aleksandrova zamisel je ostala leta razmeroma nejasna. Ko je izvedel za nove ugotovitve, je rekel, "to je bilo veliko presenečenje."
Tetraedri na nebu
Cahn je menil, da je možnost rešitve uganke asimetrije materije in antimaterije s kršitvijo paritete v zgodnjem vesolju »špekulativna, a tudi provokativna«. Leta 2019 se je odločil poiskati kršitev paritete v katalogu galaksij v Sloan Digital Sky Survey. Ni pričakoval, da bo našel kaj, vendar je menil, da bi bilo vredno preveriti.
Da bi preveril, ali porazdelitev galaksij spoštuje ali krši pariteto, so on in njegovi sodelavci vedeli, da morajo preučiti tetraedrske razporeditve štirih galaksij. To je zato, ker je tetraeder najpreprostejša tridimenzionalna oblika in le 3D-predmeti imajo možnost kršitve paritete. Da bi to razumeli, razmislite o svojih rokah. Ker so roke 3D, ni možnosti, da bi levo zasukali, da bi bila videti kot desna. Levo roko obrnite tako, da bosta palca obeh rok na levi in vaši roki še vedno izgledata drugače – dlani sta obrnjeni v nasprotni smeri. Nasprotno pa, če na list papirja narišete levo roko in izrežete 2D sliko, bo izrez, če obrnete, videti kot desna roka. Izrez in njegova zrcalna slika se ne razlikujeta.
Leta 2020 sta Slepian in Cahn iznašla način, kako definirati "rokost" tetraedrske razporeditve galaksij, da bi primerjala število levičarskih in desnosučnih na nebu. Najprej so vzeli galaksijo in pogledali razdalje do treh drugih galaksij. Če so se razdalje povečevale v smeri urinega kazalca kot desni vijak, so tetraeder imenovali desnosučni. Če so se razdalje povečevale v nasprotni smeri urinega kazalca, je bila leva.
Da bi ugotovili, ali ima vesolje kot celota prednostno ročnost, so morali ponoviti analizo za vse tetraedre, izdelane iz njihove baze podatkov z 1 milijonom galaksij. Takšnih tetraedrov je skoraj 1 bilijon bilijonov – nerešljiv seznam, ki ga je treba obravnavati enega za drugim. Toda trik faktoringa se je razvil v prejšnje delo drugačna težava je raziskovalcem omogočila, da so pariteto tetraedrov pogledali bolj celostno: namesto da bi sestavljali en tetraeder naenkrat in določali njegovo pariteto, bi lahko vzeli vsako galaksijo po vrsti in združili vse druge galaksije glede na njihovo oddaljenost od te galaksije, ustvarjanje plasti, kot so plasti čebule. Z izražanjem relativnih položajev galaksij v vsaki plasti v smislu matematičnih funkcij kotov, imenovanih sferične harmonike, bi lahko sistematično združili sklope treh plasti, da bi ustvarili skupne tetraedre.
Raziskovalci so nato rezultate primerjali s svojimi pričakovanji, ki temeljijo na fizikalnih zakonih, ki ohranjajo pariteto. Hou je vodil ta korak in analiziral lažne kataloge galaksij, ki so bili ustvarjeni s simulacijo evolucije vesolja, začenši z majhnimi variacijami gostote, ki ohranjajo pariteto. Iz teh lažnih katalogov so lahko Hou in njeni kolegi ugotovili, kako se število levo- in desnosučnih tetraedrov naključno spreminja, tudi v zrcalno simetričnem svetu.
Ekipa je v dejanskih podatkih odkrila "sedem sigma" stopnjo kršitve paritete, kar pomeni, da je bilo neravnovesje med levimi in desnimi tetraedri sedemkrat večje, kot bi lahko pričakovali zaradi naključnih naključij in drugih možnih virov napak.
Kamionkowski je označil za »neverjetno, da jim je to uspelo« in dodal, da je »tehnično gledano popolnoma osupljivo. To je res, res, zelo zapletena analiza.”
Philcox je uporabil podobne metode (in je bil soavtor nekaterih prejšnjih dokumentov, ki so predlagali takšno analizo s Houjem, Slepianom in Cahnom), vendar je sprejel nekaj drugačnih odločitev - na primer združevanje galaksij v manj plasti kot Hou in sodelavci ter izpuščanje nekaterih problematičnih tetraedrov iz analize - in zato ugotovil skromnejšo 2.9-sigma kršitev paritete. Raziskovalci zdaj preučujejo razlike med njihovimi analizami. Tudi po obsežnih prizadevanjih za razumevanje podatkov so vse strani previdne.
Potrditveni dokazi
Presenetljivo odkritje namiguje na novo fiziko, ki bi lahko odgovorila na dolgotrajna vprašanja o vesolju. Toda delo se je šele začelo.
Najprej morajo fiziki preveriti (ali ponarediti) opazovanje. Nove, ambiciozne raziskave galaksij, na katerih bi ponovili analizo, že potekajo. Tekoča raziskava spektroskopskega instrumenta temne energije je na primer doslej zabeležila 14 milijonov galaksij in bo vsebovala več kot 30 milijonov, ko bo končana. "To nam bo dalo priložnost, da si to ogledamo veliko bolj podrobno z veliko boljšo statistiko," je dejal Cahn.
Predstavitev
Poleg tega, če je signal, ki krši pariteto, resničen, bi se lahko pokazal v drugih podatkih kot v porazdelitvi galaksij. Najstarejša svetloba na nebu, na primer - kopel sevanja, znana kot kozmično mikrovalovno ozadje, ki je ostala iz zgodnjega vesolja - zagotavlja naš najzgodnejši posnetek prostorskih variacij v kozmosu. Pegasti vzorec te svetlobe bi moral vsebovati enake korelacije, ki kršijo pariteto, kot galaksije, ki so nastale pozneje. Fiziki pravijo, da bi moralo biti mogoče najti tak signal v svetlobi.
Drug kraj, ki ga je treba pogledati, bo vzorec gravitacijskih valov, ki so morda nastali med inflacijo, imenovan stohastično ozadje gravitacijskih valov. Ti valovi v prostoru-času, podobni zamašku, so lahko desničarski ali levičarski in v svetu, ki ohranja pariteto, bi vsebovali enake količine vsakega. Torej, če bi fizikom uspelo izmeriti to ozadje in ugotoviti, da je enoročnost naklonjena, bi bilo to nedvoumno, neodvisno preverjanje fizike, ki krši pariteto v zgodnjem vesolju.
Ko se bo začelo iskanje dokazov, bodo teoretiki preučevali modele inflacije, ki bi lahko povzročila signal. z Giovanni Cabass, teoretični fizik na Inštitutu za napredne študije v Princetonu v New Jerseyju, je Philcox nedavno uporabil svojo meritev za preizkusite množico modelov, ki kršijo pariteto inflacije, vključno s tistimi tipa Chern-Simons. (Ne morejo še z gotovostjo trditi, kateri model, če sploh, je pravilen.)
Alexander je svoja prizadevanja preusmeril tudi v razumevanje Chern-Simonsove gravitacije. S sodelavci, vključno s Kamionkowskim in Cyril Creque-Sarbinowski iz Centra za računalniško astrofiziko inštituta Flatiron je Alexander začel raziskovati subtilne podrobnosti o tem, kako bi Chern-Simonsova gravitacija v zgodnjem vesolju vplivala na porazdelitev današnjih galaksij.
"Bil sem nekako kot osamljeni vojak, ki je nekaj časa pritiskal na te stvari," je dejal. "Lepo je videti, da se ljudje zanimajo."
Opomba urednika: Inštitut Flatiron financira Fundacija Simons, ki podpira tudi to uredniško neodvisno revijo. Poleg tega Oliver Philcox prejema sredstva od fundacije Simons.
