Beskrivning
Fysiker tror att de har upptäckt en slående asymmetri i arrangemangen av galaxer på himlen. Om det bekräftas, skulle fyndet peka på egenskaper hos de okända grundläggande lagarna som fungerade under Big Bang.
"Om detta resultat är verkligt, kommer någon att få ett Nobelpris," sa Marc Kamionkowski, en fysiker vid Johns Hopkins University som inte var involverad i analysen.
Som om de spelade ett kosmiskt spel Connect the Dots, ritade forskarna linjer mellan uppsättningar av fyra galaxer och konstruerade fyrhörniga former som kallas tetraedrar. När de hade byggt alla möjliga tetraeder från en katalog med 1 miljon galaxer, fann de att tetraedrarna orienterade en väg överträffade deras spegelbilder.
En antydan om obalansen mellan tetraedrarna och deras spegelbilder var först rapporterade by Oliver Philcox, en astrofysiker vid Columbia University i New York, i en artikel publicerad i Fysisk granskning D i september. I en oberoende analys som genomfördes samtidigt som nu genomgår kollegial granskning, Jiamin Hou och Zachary Slepian från University of Florida och Robert Cahn från Lawrence Berkeley National Laboratory detekterad asymmetrin med en nivå av statistisk säkerhet som fysiker vanligtvis anser vara definitiv.
Men med en sådan storsäljande upptäckt - och en som fortfarande är under granskning - säger experter att försiktighet är berättigad.
"Det finns ingen uppenbar anledning till att de har gjort ett misstag," sa Shaun Hotchkiss, en kosmolog vid University of Auckland. "Det betyder inte att det inte är ett misstag."
Den förmodade obalansen bryter mot en symmetri som kallas "paritet", en ekvivalens mellan vänster och höger. Om observationen tål granskning, tror fysiker att den måste återspegla en okänd, paritetskränkande ingrediens i den urprocess som sådde fröna till all struktur som utvecklades i vårt universum.
"Det är ett otroligt resultat - riktigt imponerande," sa Kamionkowski. "Tror jag det? Jag kommer att vänta med att verkligen fira.”
Vänsterhänt universum
Paritet var en gång en omhuldad fysiksymmetri. Men så, 1957, experimenterade den kinesiske amerikanske fysikern Chien-Shiung Wus kärnkraftsförfall avslöjade att vårt universum verkligen har en liten handenhet: Subatomära partiklar som är involverade i den svaga kärnkraften, som orsakar kärnsönderfall, är alltid magnetiskt orienterade i motsatt riktning från den de rör sig i, så att de spiralformar som trådarna på en vänster. -handsskruv. Spegelbildspartiklarna - de som högerhänta skruvar - känner inte den svaga kraften.
Wus avslöjande var chockerande. "Vi är alla ganska skakade av döden av vår älskade vän, paritet," skrev fysikern John Blatt i ett brev till Wolfgang Pauli.
Vänsterhäntheten hos den svaga kraften har subtila effekter som inte kunde ha påverkat kosmos på galaktiska skalor. Men ända sedan Wus upptäckt har fysiker sökt andra sätt på vilka universum skiljer sig från sin spegelbild.
Om, till exempel, någon primordial paritetsöverträdelse var i kraft när universum var i sin linda, kan det ha präglat en vändning på kosmos struktur.
Vid eller nära tiden för universums födelse tros ett fält som kallas inflaton ha genomsyrat rymden. Ett rullande, kokande medium där inflatonpartiklar kontinuerligt bubblade upp och försvann, inflatonfältet var också frånstötande; under den korta tid det kan ha funnits, skulle det ha fått vårt universum att snabbt expandera till 100 biljoner biljoner gånger sin ursprungliga storlek. Alla dessa kvantfluktuationer av partiklar i inflatonfältet slungades utåt och frystes in i kosmos och blev variationer i materiens densitet. De tätare fickorna fortsatte att sammansmälta gravitationsmässigt för att producera de galaxer och storskaliga strukturer vi ser idag.
År 1999, forskare inklusive Kamionkowski anses vad skulle hända om mer än ett fält var närvarande före denna explosion. Inflatonfältet kunde ha interagerat med ett annat fält som kunde producera högerhänta och vänsterhänta partiklar. Om inflatonen behandlade högerhänta partiklar annorlunda än de vänsterhänta, så kunde den företrädesvis ha skapat partiklar av en hand över den andra. Denna så kallade Chern-Simons-koppling skulle ha genomsyrat de tidiga kvantfluktuationerna med en föredragen handenhet, vilket skulle ha utvecklats till en obalans mellan vänsterhänta och högerhänta tetraedriska arrangemang av galaxer.
När det gäller vad det ytterligare fältet kan vara, är en möjlighet gravitationsfältet. I detta scenario skulle en paritetsöverträdande Chern-Simons-interaktion inträffa mellan inflatonpartiklar och gravitoner - kvantenheterna för gravitation - som skulle ha dykt upp i gravitationsfältet under inflationen. En sådan interaktion skulle ha skapat en handenhet i densitetsvariationerna i det tidiga universum och följaktligen i dagens storskaliga struktur.
Beskrivning
2006, Stefan Alexander, fysiker nu vid Brown University, föreslog att Chern-Simons gravitation också potentiellt skulle kunna lösa ett av de största mysterierna inom kosmologi: varför vårt universum innehåller mer materia än antimateria. Han förmodade att Chern-Simons-interaktionen kunde ha gett ett relativt överflöd av vänsterhänta gravitoner, vilket i sin tur företrädesvis skulle skapa vänsterhänt materia framför högerhänt antimateria.
Alexanders idé förblev relativt oklar i flera år. När han hörde om de nya fynden sa han, "det var en stor överraskning."
Tetraeder i himlen
Cahn trodde att möjligheten att lösa asymmetripusslet mellan materia och antimateria med paritetskränkning i det tidiga universum var "spekulativ, men också provocerande." 2019 bestämde han sig för att leta efter paritetsöverträdelser i en katalog över galaxer i Sloan Digital Sky Survey. Han förväntade sig inte att hitta något men tyckte att det skulle vara värt en kontroll.
För att testa om galaxfördelningen respekterar eller bryter mot paritet visste han och hans medarbetare att de behövde studera tetraedriska arrangemang av fyra galaxer. Detta beror på att tetraedern är den enklaste tredimensionella formen, och endast 3D-objekt har en chans att bryta pariteten. För att förstå detta, överväg dina händer. Eftersom händer är 3D, finns det inget sätt att rotera en vänster för att få den att se ut som en höger. Vänd din vänstra hand över så att tummarna på båda händerna är till vänster, och dina händer fortfarande ser annorlunda ut - handflatorna är vända åt motsatta håll. Om du däremot spårar en vänsterhand på ett pappersark och klipper ut 2D-bilden, kommer det att se ut som en högerhand om du vänder på utklippet. Utskärningen och dess spegelbild går inte att särskilja.
År 2020 kom Slepian och Cahn på ett sätt att definiera "handigheten" hos ett tetraedriskt arrangemang av galaxer för att jämföra antalet vänsterhänta och högerhänta på himlen. Först tog de en galax och tittade på avstånden till tre andra galaxer. Om avstånden ökade i medurs riktning som en högerskruv, kallade de tetraedern för högerhänt. Om avstånden ökade moturs, var den vänsterhänt.
För att avgöra om universum som helhet har en föredragen handenhet, var de tvungna att upprepa analysen för alla tetraedrar konstruerade från deras databas med 1 miljon galaxer. Det finns nästan 1 biljon biljoner sådana tetraedrar - en svårhanterlig lista att hantera en i taget. Men ett factoringtrick utvecklades tidigare arbete på ett annat problem gjorde det möjligt för forskarna att se på tetraedrarnas paritet mer holistiskt: I stället för att sätta ihop en tetraeder åt gången och bestämma dess paritet, kunde de ta varje galax i tur och ordning och gruppera alla andra galaxer efter deras avstånd från den galaxen, skapa lager som lager av en lök. Genom att uttrycka de relativa positionerna för galaxer i varje lager i termer av matematiska funktioner för vinklar som kallas sfäriska övertoner, kunde de systematiskt kombinera uppsättningar av tre lager för att göra kollektiva tetraedrar.
Forskarna jämförde sedan resultaten med deras förväntningar baserat på fysiklagar som bevarar paritet. Hou ledde detta steg och analyserade falska kataloger över galaxer som hade skapats genom att simulera universums utveckling med utgångspunkt från små, paritetsbevarande densitetsvariationer. Från dessa låtsaskataloger kunde Hou och hennes kollegor avgöra hur sammanställningen av vänster- och högerhänta tetraedrar varierar slumpmässigt, även i en spegelsymmetrisk värld.
Teamet fann en "sju-sigma" nivå av paritetsöverträdelse i den verkliga datan, vilket betyder att obalansen mellan vänster- och högerhänta tetraedrar var sju gånger så stor som man kunde förvänta sig från en slumpmässig slump och andra tänkbara felkällor.
Kamionkowski kallade det "otroligt att de kunde göra det", och tillade att "tekniskt sett är det helt häpnadsväckande. Det är en riktigt, riktigt, riktigt komplicerad analys.”
Philcox använde liknande metoder (och hade varit medförfattare till några tidigare artiklar som föreslog en sådan analys med Hou, Slepian och Cahn), men han gjorde några olika val - till exempel grupperade galaxerna i färre lager än Hou och kollegor, och utelämnade några problem. tetraedrar från analysen — och fann därför en mer blygsam 2.9-sigma överträdelse av paritet. Forskarna studerar nu skillnaderna mellan sina analyser. Även efter omfattande ansträngningar att förstå uppgifterna förblir alla parter försiktiga.
Bekräftande bevis
Det överraskande fyndet antyder ny fysik som potentiellt skulle kunna svara på långvariga frågor om universum. Men arbetet har bara börjat.
Först måste fysiker verifiera (eller förfalska) observationen. Nya, ambitiösa galaxundersökningar för att upprepa analysen pågår redan. Den pågående undersökningen av Dark Energy Spectroscopic Instrument har till exempel registrerat 14 miljoner galaxer hittills och kommer att innehålla mer än 30 miljoner när den är klar. "Det kommer att ge oss en möjlighet att titta på det här i mycket större detalj med mycket bättre statistik," sa Cahn.
Beskrivning
Dessutom, om den paritetsöverträdande signalen är verklig, kan den dyka upp i andra data än distributionen av galaxer. Det äldsta ljuset på himlen, till exempel - ett strålningsbad känt som den kosmiska mikrovågsbakgrunden, kvar från det tidiga universum - ger vår tidigaste ögonblicksbild av rumsliga variationer i kosmos. Det fläckiga mönstret av detta ljus bör innehålla samma paritetsöverträdande korrelationer som de galaxer som bildades senare. Fysiker säger att det borde vara möjligt att hitta en sådan signal i ljuset.
En annan plats att titta på är mönstret av gravitationsvågor som kan ha genererats under inflationen, som kallas den stokastiska gravitationsvågens bakgrund. Dessa korkskruvsliknande krusningar i rumtidstyget kan vara högerhänta eller vänsterhänta, och i en paritetsbevarande värld skulle de innehålla lika stora mängder av varje. Så om fysiker lyckas mäta denna bakgrund och upptäcker att enhandskänsla gynnas, skulle detta vara en entydig, oberoende kontroll av paritetskränkande fysik i det tidiga universum.
När sökandet efter bekräftande bevis börjar kommer teoretiker att studera inflationsmodeller som kunde ha producerat signalen. Med Giovanni Cabass, en teoretisk fysiker vid Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, Philcox använde nyligen sin mätning för att testa en rad paritetsöverträdande modeller av inflationen, inklusive de av typen Chern-Simons. (De kan ännu inte säga med säkerhet vilken modell, om någon, är korrekt.)
Alexander har också fokuserat om sina ansträngningar på att förstå Chern-Simons gravitation. Med medarbetare inklusive Kamionkowski och Cyril Creque-Sarbinowski vid Flatiron Institutes Center for Computational Astrophysics har Alexander börjat utarbeta subtila detaljer om hur Chern-Simons gravitation i det tidiga universum skulle påverka fördelningen av dagens galaxer.
"Jag var ungefär som en ensam soldat som tryckte på det här ett tag", sa han. – Det är bra att se att folk är intresserade.
Redaktörens anmärkning: Flatiron Institute finansieras av Simons Foundation, som också stöder denna redaktionellt oberoende tidning. Dessutom får Oliver Philcox medel från Simons Foundation.
