ตรวจพบความไม่สมมาตรในการกระจายตัวของกาแล็กซี

นักฟิสิกส์เชื่อว่าพวกเขาได้ตรวจพบความไม่สมมาตรในการจัดเรียงตัวของดาราจักรในท้องฟ้า หากได้รับการยืนยัน การค้นพบนี้จะชี้ให้เห็นถึงคุณลักษณะของกฎหมายพื้นฐานที่ไม่รู้จักซึ่งดำเนินการในช่วงบิ๊กแบง

“หากผลลัพธ์นี้เป็นจริง ใครบางคนจะได้รับรางวัลโนเบล” กล่าว มาร์ค คามิออนคอฟสกี้นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอปกินส์ ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์

ราวกับกำลังเล่นเกมจักรวาลของ Connect the Dots นักวิจัยได้วาดเส้นแบ่งระหว่างชุดของกาแลคซีสี่แห่ง สร้างรูปทรงสี่มุมที่เรียกว่า tetrahedra เมื่อพวกเขาสร้างทรงจัตุรมุขทุกแห่งที่เป็นไปได้จากแคตตาล็อกของกาแลคซี 1 ล้านแห่ง พวกเขาพบว่าทรงจัตุรมุขหันทางเดียวมีจำนวนมากกว่าภาพสะท้อนในกระจก

คำใบ้ของความไม่สมดุลระหว่าง tetrahedra และภาพสะท้อนในกระจกเป็นสิ่งแรก รายงาน by โอลิเวอร์ ฟิลคอกซ์นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบียในนิวยอร์ก ในบทความที่ตีพิมพ์ใน การทบทวนทางกายภาพง ในเดือนกันยายน. ในการวิเคราะห์อิสระที่ดำเนินการพร้อมกันซึ่งขณะนี้อยู่ระหว่างการตรวจสอบโดยเพื่อน เจียมิน โฮ และ แซกคารี สลีเปียน ของมหาวิทยาลัยฟลอริดาและ โรเบิร์ต คาห์น ของ Lawrence Berkeley National Laboratory ตรวจพบ ความไม่สมมาตรที่มีระดับความเชื่อมั่นทางสถิติซึ่งนักฟิสิกส์มักจะพิจารณาขั้นสุดท้าย

แต่ด้วยการค้นพบบล็อคบัสเตอร์ — และสิ่งที่ยังอยู่ระหว่างการตรวจสอบ — ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่าควรระมัดระวัง

“ไม่มีเหตุผลที่ชัดเจนว่าพวกเขาทำผิดพลาด” กล่าว ชอน ฮอทช์คิสนักจักรวาลวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยโอ๊คแลนด์ “ไม่ได้หมายความว่าไม่มีข้อผิดพลาด”

ความไม่สมดุลสมมุติละเมิดสมมาตรที่เรียกว่า "ความเท่าเทียมกัน" ความเท่าเทียมกันของซ้ายและขวา นักฟิสิกส์คิดว่ามันต้องสะท้อนถึงส่วนผสมที่ไม่รู้จักซึ่งละเมิดความเท่าเทียมกันในกระบวนการดั้งเดิมที่หว่านเมล็ดพันธุ์ของโครงสร้างทั้งหมดที่พัฒนาขึ้นในจักรวาลของเรา

“มันเป็นผลลัพธ์ที่เหลือเชื่อ น่าประทับใจจริงๆ” Kamionkowski กล่าว “ฉันเชื่อหรือไม่? ฉันจะรอเพื่อฉลองจริงๆ”

จักรวาลซ้ายมือ

ความเท่าเทียมกันครั้งหนึ่งเคยเป็นความสมมาตรของฟิสิกส์ แต่แล้วในปี 1957 การทดลองการสลายตัวของนิวเคลียร์ของ Chien-Shiung Wu นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเชื้อสายจีน เปิดเผย ว่าเอกภพของเรามีความถนัดเพียงเล็กน้อย: อนุภาคของอะตอมที่เกี่ยวข้องกับแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน ซึ่งเป็นสาเหตุของการสลายตัวของนิวเคลียร์ มักจะมีทิศทางแม่เหล็กไปในทิศทางตรงกันข้ามกับที่พวกมันเคลื่อนเข้ามา ดังนั้นพวกมันจึงหมุนวนเหมือนด้ายด้านซ้าย - สกรูมือ อนุภาคของภาพสะท้อนในกระจก — อนุภาคเหมือนสกรูที่ถนัดขวา — ไม่รู้สึกถึงแรงที่อ่อน

การเปิดเผยของอู๋ทำให้ตกตะลึง “เราทุกคนค่อนข้างหวั่นไหวกับการตายของเพื่อนที่เรารักและเท่าเทียมกัน” จอห์น แบลตต์ นักฟิสิกส์เขียนในจดหมายถึงโวล์ฟกัง เพาลี

ความถนัดซ้ายของพลังที่อ่อนแอมีผลกระทบเล็กน้อยที่ไม่สามารถมีอิทธิพลต่อจักรวาลในระดับกาแลคซีได้ แต่นับตั้งแต่การค้นพบของ Wu นักฟิสิกส์ได้ค้นหาวิธีอื่นที่ทำให้เอกภพแตกต่างจากภาพสะท้อนในกระจก

ตัวอย่างเช่น หากการละเมิดความเท่าเทียมในยุคแรกเริ่มมีผลเมื่อเอกภพยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น มันอาจสร้างรอยบิดบนโครงสร้างของเอกภพ

ในหรือใกล้กับเวลากำเนิดของเอกภพ เชื่อกันว่ามีทุ่งที่เรียกว่า inflaton แทรกซึมอยู่ในอวกาศ สื่อที่เดือดพล่านและเดือดที่อนุภาคของฟองอากาศผุดขึ้นอย่างต่อเนื่องและหายไป ฟิลด์ที่พองตัวก็น่ารังเกียจเช่นกัน มันอาจจะมีอยู่ในช่วงเวลาสั้น ๆ มันจะทำให้เอกภพของเราขยายตัวอย่างรวดเร็วถึง 100 ล้านล้านล้านเท่าของขนาดเดิม ความผันผวนของควอนตัมทั้งหมดของอนุภาคในสนามพองตัวถูกเหวี่ยงออกไปด้านนอกและถูกแช่แข็งในจักรวาล ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความหนาแน่นของสสาร ช่องที่หนาแน่นขึ้นยังคงรวมตัวกันด้วยแรงโน้มถ่วงเพื่อสร้างกาแลคซีและโครงสร้างขนาดใหญ่ที่เราเห็นในปัจจุบัน

ในปี 1999 นักวิจัยรวมถึง Kamionkowski ถือว่า จะเกิดอะไรขึ้นถ้ามีมากกว่าหนึ่งสนามก่อนการระเบิดครั้งนี้ สนามสูบลมอาจมีปฏิสัมพันธ์กับสนามอื่นที่สามารถผลิตอนุภาคคนถนัดขวาและมือซ้ายได้ หากสูบลมปฏิบัติกับอนุภาคของคนถนัดขวาแตกต่างจากคนถนัดซ้าย ก็อาจสร้างอนุภาคของคนถนัดมือเดียวมากกว่าอีกข้างหนึ่ง สิ่งที่เรียกว่าการประกบกันของ Chern-Simons นี้จะทำให้ความผันผวนของควอนตัมในยุคแรกๆ เต็มไปด้วยความถนัดมือที่ต้องการ ซึ่งจะพัฒนาไปสู่ความไม่สมดุลของการจัดเรียงกาแลคซีแบบเตตระฮีดรัลสำหรับคนถนัดซ้ายและถนัดขวา

สำหรับสนามเพิ่มเติมที่เป็นไปได้ ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งคือสนามโน้มถ่วง ในสถานการณ์สมมตินี้ ปฏิสัมพันธ์ของ Chern-Simons ที่ละเมิดความเท่าเทียมกันจะเกิดขึ้นระหว่างอนุภาค inflaton และกราวิตอน ซึ่งเป็นหน่วยควอนตัมของแรงโน้มถ่วง ซึ่งจะโผล่ขึ้นมาในสนามโน้มถ่วงระหว่างการพองตัว ปฏิสัมพันธ์ดังกล่าวจะสร้างความถนัดในการแปรผันความหนาแน่นของเอกภพยุคแรก และเป็นผลให้โครงสร้างขนาดใหญ่ในปัจจุบัน

ใน 2006, สตีเฟน อเล็กซานเดอร์ปัจจุบันเป็นนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยบราวน์ ข้อเสนอแนะ แรงโน้มถ่วงของ Chern-Simons ยังสามารถไขปริศนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดข้อหนึ่งในจักรวาลวิทยา นั่นคือเหตุใดจักรวาลของเราจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร เขาสันนิษฐานว่าปฏิสัมพันธ์ของ Chern-Simons อาจทำให้มีกราวิตอนคนถนัดซ้ายจำนวนมาก ซึ่งจะสร้างสสารสำหรับคนถนัดซ้ายมากกว่าปฏิสสารคนถนัดขวา

ความคิดของอเล็กซานเดอร์ยังคงคลุมเครือมานานหลายปี เมื่อเขาได้ยินเกี่ยวกับการค้นพบใหม่ เขากล่าวว่า "เป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจมาก"

Tetrahedra ในท้องฟ้า

คาห์นคิดว่าความเป็นไปได้ในการไขปริศนาความไม่สมมาตรของสสารและปฏิสสารที่มีการละเมิดความเท่าเทียมกันในเอกภพยุคแรกนั้น “เป็นการเก็งกำไร แต่ก็เป็นการยั่วยุเช่นกัน” ในปี 2019 เขาตัดสินใจค้นหาการละเมิดความเท่าเทียมกันในแคตตาล็อกของกาแลคซีใน Sloan Digital Sky Survey เขาไม่ได้คาดหวังว่าจะพบอะไร แต่คิดว่ามันคุ้มค่าที่จะตรวจสอบ

เพื่อทดสอบว่าการกระจายดาราจักรเคารพหรือละเมิดความเท่าเทียมกัน เขาและผู้ทำงานร่วมกันรู้ว่าพวกเขาจำเป็นต้องศึกษาการเรียงตัวของดาราจักรสี่หน้า นี่เป็นเพราะจัตุรมุขเป็นรูปทรงสามมิติที่ง่ายที่สุด และมีเพียงวัตถุ 3 มิติเท่านั้นที่มีโอกาสละเมิดความเท่าเทียมกัน เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ ให้พิจารณามือของคุณ เนื่องจากมือเป็นแบบ 3 มิติ จึงไม่มีทางที่จะหมุนมือซ้ายเพื่อให้ดูเหมือนมือขวาได้ พลิกมือซ้ายของคุณเพื่อให้นิ้วหัวแม่มือของมือทั้งสองข้างอยู่ทางซ้าย และมือของคุณยังคงดูแตกต่างออกไป — ฝ่ามือหันไปทางตรงกันข้าม ในทางตรงกันข้าม หากคุณวาดมือซ้ายบนแผ่นกระดาษแล้วตัดภาพ 2 มิติออก การพลิกช่องเจาะจะทำให้ดูเหมือนเป็นมือขวา ช่องเจาะและภาพสะท้อนในกระจกนั้นแยกไม่ออก

ในปี 2020 สเลเปียนและคาห์นคิดวิธีกำหนด "ความถนัดมือ" ของการจัดเรียงกาแลคซีทรงสี่หน้าเพื่อเปรียบเทียบจำนวนกาแลคซีที่ถนัดซ้ายและถนัดขวาบนท้องฟ้า ขั้นแรก พวกเขาเอากาแล็กซีมาหนึ่งกาแล็กซีและดูระยะทางไปยังกาแล็กซีอื่นสามกาแล็กซี ถ้าระยะทางเพิ่มขึ้นตามเข็มนาฬิกาเหมือนเกลียวขวา เขาเรียกว่า จัตุรมุขถนัดขวา หากระยะทางเพิ่มขึ้นทวนเข็มนาฬิกาแสดงว่าเป็นคนถนัดซ้าย

ในการระบุว่าเอกภพโดยรวมมีความเอื้ออำนวยหรือไม่ พวกเขาต้องทำการวิเคราะห์ซ้ำสำหรับเตตระฮีดราทั้งหมดที่สร้างขึ้นจากฐานข้อมูลของกาแล็กซี 1 ล้านกาแล็กซี มีเตตระเฮดราดังกล่าวเกือบ 1 ล้านล้านล้านรายการ ซึ่งเป็นรายการที่ยากที่จะจัดการทีละรายการ แต่เคล็ดลับการแยกตัวประกอบพัฒนาขึ้นใน งานก่อนหน้านี้ ในปัญหาที่แตกต่างกันทำให้นักวิจัยสามารถมองความเท่าเทียมกันของเตตระฮีดราแบบองค์รวมได้มากขึ้น: แทนที่จะรวบรวมจัตุรมุขทีละอันและกำหนดความเท่าเทียมกันของพวกมัน พวกเขาอาจนำแต่ละดาราจักรมาผลัดกันและจัดกลุ่มดาราจักรอื่นๆ ทั้งหมดตามระยะห่างจากดาราจักรนั้น สร้างชั้นเหมือนชั้นของหัวหอม โดยการแสดงตำแหน่งสัมพัทธ์ของกาแลคซีในแต่ละชั้นในแง่ของฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ของมุมที่เรียกว่าฮาร์มอนิกทรงกลม พวกมันสามารถรวมชุดของสามชั้นอย่างเป็นระบบเพื่อสร้างเตตระเฮดรารวม

จากนั้นนักวิจัยได้เปรียบเทียบผลลัพธ์กับความคาดหวังของพวกเขาตามกฎการรักษาความเสมอภาคของฟิสิกส์ Hou เป็นผู้นำขั้นตอนนี้ โดยวิเคราะห์แคตตาล็อกปลอมของกาแลคซีที่สร้างขึ้นโดยการจำลองวิวัฒนาการของเอกภพที่เริ่มต้นจากความผันแปรของความหนาแน่นที่เล็กและเท่าเทียมกัน จากแคตตาล็อกจำลองเหล่านี้ Hou และเพื่อนร่วมงานของเธอสามารถระบุได้ว่าจำนวนของ tetrahedra ที่ถนัดซ้ายและขวาแตกต่างกันอย่างไร แม้ในโลกสมมาตรแบบกระจก

ทีมงานพบการละเมิดความเท่าเทียมกันในระดับ "seven-sigma" ในข้อมูลจริง หมายความว่าความไม่สมดุลระหว่าง tetrahedra ที่ถนัดซ้ายและขวานั้นใหญ่เป็นเจ็ดเท่าจากโอกาสสุ่มและแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดอื่นๆ

Kamionkowski เรียกมันว่า “เหลือเชื่อที่พวกเขาทำแบบนั้นได้” และเสริมว่า “ในทางเทคนิคแล้ว มันน่าประหลาดใจอย่างยิ่ง เป็นการวิเคราะห์ที่ซับซ้อนจริงๆ”

Philcox ใช้วิธีการที่คล้ายกัน (และเคยร่วมเขียนบทความก่อนหน้านี้บางฉบับที่เสนอการวิเคราะห์ดังกล่าวกับ Hou, Slepian และ Cahn) แต่เขาเลือกทางเลือกที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น การจัดกลุ่มกาแลคซีเป็นชั้นที่น้อยกว่า Hou และเพื่อนร่วมงาน และละเว้นปัญหาบางอย่าง tetrahedra จากการวิเคราะห์ - ดังนั้นจึงพบการละเมิดความเท่าเทียมกันของ 2.9-sigma ที่เจียมเนื้อเจียมตัวมากขึ้น ขณะนี้นักวิจัยกำลังศึกษาความแตกต่างระหว่างการวิเคราะห์ของพวกเขา แม้หลังจากพยายามอย่างเข้มข้นเพื่อทำความเข้าใจข้อมูล ทุกฝ่ายยังคงระมัดระวัง

หลักฐานยืนยัน

การค้นพบคำใบ้ที่น่าประหลาดใจเกี่ยวกับฟิสิกส์ใหม่ที่อาจตอบคำถามที่มีมายาวนานเกี่ยวกับเอกภพ แต่งานเพิ่งเริ่มต้นเท่านั้น

นักฟิสิกส์คนแรกจำเป็นต้องตรวจสอบ (หรือปลอมแปลง) การสังเกต การสำรวจกาแล็กซีใหม่ที่มีความทะเยอทะยานเพื่อทำการวิเคราะห์ซ้ำกำลังดำเนินการอยู่ ตัวอย่างเช่น การสำรวจด้วยเครื่องมือสเปกโทรสโกปีพลังงานมืดที่กำลังดำเนินอยู่ได้บันทึกดาราจักรไปแล้ว 14 ล้านแห่ง และจะมีมากกว่า 30 ล้านแห่งเมื่อเสร็จสิ้น “นั่นจะทำให้เรามีโอกาสดูสิ่งนี้ในรายละเอียดมากขึ้นด้วยสถิติที่ดีขึ้นมาก” คาห์นกล่าว

ยิ่งไปกว่านั้น หากสัญญาณที่ละเมิดความเท่าเทียมเป็นจริง ก็อาจปรากฏในข้อมูลอื่นนอกเหนือจากการกระจายตัวของกาแลคซี แสงที่เก่าแก่ที่สุดในท้องฟ้า เช่น การอาบรังสีที่เรียกว่าพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก ซึ่งหลงเหลือจากเอกภพยุคแรก ให้ภาพการเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่ในเอกภพที่เร็วที่สุดของเรา รูปแบบรอยด่างของแสงนี้ควรมีความสัมพันธ์ที่ละเมิดความเท่าเทียมกันเช่นเดียวกับกาแลคซีที่ก่อตัวในภายหลัง นักฟิสิกส์กล่าวว่าน่าจะเป็นไปได้ที่จะพบสัญญาณดังกล่าวในแสง

อีกจุดหนึ่งที่ควรพิจารณาคือรูปแบบของคลื่นความโน้มถ่วงที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการพองตัว ซึ่งเรียกว่าพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วงสุ่ม ระลอกคลื่นลักษณะคล้ายเกลียวเหล่านี้ในโครงสร้างกาลอวกาศสามารถเป็นได้ทั้งคนถนัดขวาและมือซ้าย และในโลกที่รักษาความเท่าเทียมกัน พวกมันจะมีปริมาณเท่ากันในแต่ละระลอก ดังนั้นหากนักฟิสิกส์สามารถวัดภูมิหลังนี้ได้และพบว่าการถนัดมือข้างเดียวเป็นที่ชื่นชอบ นี่จะเป็นการตรวจสอบโดยอิสระที่ไม่กำกวมของฟิสิกส์ที่ละเมิดความเท่าเทียมในเอกภพยุคแรกเริ่ม

เมื่อการค้นหาหลักฐานยืนยันเริ่มต้นขึ้น นักทฤษฎีจะศึกษาแบบจำลองของอัตราเงินเฟ้อที่สามารถสร้างสัญญาณได้ กับ จิโอวานนี่ คาบาสนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งสถาบันเพื่อการศึกษาขั้นสูงในพรินซ์ตัน รัฐนิวเจอร์ซีย์ ฟิลค็อกซ์เพิ่งใช้การวัดของเขาเพื่อ ทดสอบโมเดลที่ละเมิดพาริตีจำนวนมาก ของอัตราเงินเฟ้อ รวมถึงประเภท Chern-Simons (พวกเขายังไม่สามารถบอกได้อย่างแน่นอนว่ารุ่นใดถูกต้อง หากมี)

อเล็กซานเดอร์ยังได้มุ่งความสนใจไปที่การทำความเข้าใจแรงโน้มถ่วงของ Chern-Simons กับผู้ทำงานร่วมกัน ได้แก่ Kamionkowski และ ซีริล ครีก-ซาร์บินอฟสกี้ จากศูนย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์เชิงคำนวณของสถาบัน Flatiron อเล็กซานเดอร์ได้เริ่มศึกษารายละเอียดปลีกย่อยว่าแรงโน้มถ่วงของ Chern-Simons ในเอกภพยุคแรกจะมีอิทธิพลต่อการกระจายตัวของดาราจักรในปัจจุบันอย่างไร

“ผมเป็นเหมือนทหารคนเดียวที่ผลักดันสิ่งนี้อยู่พักหนึ่ง” เขากล่าว “เป็นเรื่องดีที่มีคนสนใจ”

หมายเหตุบรรณาธิการ: สถาบัน Flatiron ได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิไซมอนส์ ซึ่งสนับสนุนนิตยสารอิสระด้านกองบรรณาธิการนี้ด้วย นอกจากนี้ Oliver Philcox ยังได้รับเงินสนับสนุนจากมูลนิธิ Simons