การแบ่งสมมาตรใน 'กาแล็กซีจัตุรมุข' เชื่อมโยงกับการละเมิดความเท่าเทียมกัน – โลกฟิสิกส์

การแบ่งสมมาตรใน 'กาแล็กซีจัตุรมุข' เชื่อมโยงกับการละเมิดความเท่าเทียมกัน – โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 13 มิถุนายน 2023 9:58 น

กาแล็กซี JWST
การละเมิดความเท่าเทียมกัน: รูปภาพของกาแลคซีที่ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ นักดาราศาสตร์พบหลักฐานว่าการละเมิดความเท่าเทียมกันในจักรวาลยุคแรกเริ่มส่งผลต่อการกระจายตัวของกาแลคซีในปัจจุบัน (เอื้อเฟื้อโดย: NASA/ESA/CSA/JWST)

นักดาราศาสตร์ในสหรัฐฯ ได้ค้นพบความไม่สมมาตรอย่างไม่คาดคิดในตำแหน่งสัมพันธ์ของกาแลคซีที่มีแสงหลายร้อยล้านดวง-ห่างกันหลายปี ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้ด้วยการทำลายความสมมาตรของกฎธรรมชาติที่เชื่อกันว่าเกิดขึ้นหลังบิกแบงไม่นาน ผลที่ตามมา การสังเกตการณ์สามารถช่วยอธิบายได้ว่าทำไมจักรวาลที่สังเกตได้จึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร

การค้นพบนี้เกิดขึ้นโดยการวิเคราะห์ฐานข้อมูลของกาแลคซีมากกว่าหนึ่งล้านแห่งที่สังเกตการณ์โดย การสำรวจด้วยสเปกโทรสโกปีของ Baryon Oscillation (เจ้านาย). วิจัยโดย เจียมิน โฮ และ แซกคารี สลีเปียน ที่มหาวิทยาลัยฟลอริดาและ โรเบิร์ต คาห์น ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley ในแคลิฟอร์เนีย ซึ่งพบรูปแบบที่ไม่คาดคิด

การสังเกตนี้เกี่ยวข้องกับสมมาตรของพาริตี ซึ่งใช้กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงในระยะไกลในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค ความเท่าเทียมกันต้องการให้ระบบทางกายภาพทำงานในลักษณะเดียวกับภาพสะท้อนในกระจก ตัวอย่างเช่น มือมนุษย์เป็นภาพสะท้อนในกระจกของกันและกัน แต่กฎแห่งฟิสิกส์ใช้กับมือขวาและมือซ้ายเท่าๆ กัน

การละเมิดความเท่าเทียมกัน

อย่างไรก็ตาม ในโลกจุลทรรศน์ ความสมมาตรของความเท่าเทียมกันสามารถถูกละเมิดได้ด้วยปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ และอาจเป็นไปได้ด้วยปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง ซึ่งทั้งสองการกระทำในระยะทางที่สั้นมาก

ทั้งสามคนสำรวจความสมมาตรของความเท่าเทียมกันในระดับที่ใหญ่มากโดยการวาดเส้นระหว่างกาแลคซีสี่เท่าซึ่งแยกจากกันด้วยระยะทางระหว่าง 65 ล้านถึง 500 ล้านแสง-ปี. ดังที่พวกเขาแสดงไว้ในรายงานล่าสุดใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็นจัตุรมุขที่สร้างขึ้นโดยแบบฝึกหัดนี้สามารถวิเคราะห์หาหลักฐานการละเมิดความเท่าเทียมกันได้

ตอนนี้พวกเขารายงานผลการศึกษาดังกล่าว ซึ่ง Slepian อธิบายว่าเป็น "ความประหลาดใจอย่างมาก"

ทีมงานได้กำหนดจัตุรมุขทางช้างเผือกทางช้างเผือกทางขวาและทางซ้ายโดยพิจารณาจากความสัมพันธ์ระหว่างกาแลคซีกับดาราจักรที่อยู่ใกล้ที่สุดและไกลที่สุด พวกเขาพบว่ามีกาแลคซีที่มีความถนัดประเภทหนึ่งมากกว่าอีกประเภทหนึ่งอย่างมีนัยสำคัญ

จัตุรมุขกาแลกติก

“สำหรับการกระจายดาราจักรใดๆ เราถือว่ากระจุกนั้นไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อหมุนรอบดาราจักรใดๆ” สเลเปียนอธิบาย “ดังนั้น หากฉันนั่งอยู่ในกาแล็กซีแห่งเดียว ฉันควรจะเห็นว่ารูปแบบของการรวมกลุ่มโดยเฉลี่ยจะเหมือนกันไม่ว่าจะหมุนศีรษะและมองไปทางใดก็ตาม แต่เรากลับมองเห็นจัตุรมุขส่วนเกินเหนือภาพสะท้อนในกระจกของมัน”

แม้ว่าเอฟเฟกต์จะแข็งแกร่ง แต่สาเหตุของความถนัดนี้ยังคงเป็นปริศนา แรงโน้มถ่วงเป็นพลังเดียวที่ทราบกันดีว่าสามารถกระทำในระยะทางอันไกลโพ้นที่แยกกาแลคซีออกได้ และไม่ควรละเมิดความเท่าเทียมกัน สเลเปียนกลับกล่าวว่าความไม่สมมาตรนั้น “ต้องถูกประทับตราไว้ตั้งแต่ต้นในประวัติศาสตร์ของจักรวาลเมื่อมีกองกำลังอื่นๆ เข้ามามีบทบาทด้วยซ้ำ”

สิ่งนี้พาเราย้อนกลับไปถึงช่วงเวลาแห่งการพองตัวของจักรวาลซึ่งเกิดขึ้นประมาณ 10-33 หลังจากบิ๊กแบง เมื่อมาถึงจุดนี้ เอกภพประสบกับช่วงระยะเวลาสั้นๆ ของการขยายตัวอย่างรวดเร็วอย่างมาก นักฟิสิกส์เชื่อว่าความผันผวนของควอนตัมในช่วงเงินเฟ้อได้ขยายตัวจนกลายเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล ดังนั้นการละเมิดความเท่าเทียมกันใดๆ ที่เกิดขึ้นในช่วงเงินเฟ้ออาจกลายเป็นรอยประทับว่ากาแลคซีมีการกระจายตัวในจักรวาลอย่างไรในอีก 13.7 พันล้านปีต่อมา

 ยังไม่ทราบที่มาของการละเมิดความเท่าเทียมกันนี้ “มันอาจเป็นพลังใหม่หรืออนุภาคใหม่ที่กระทำในระดับควอนตัมในเวลานั้น” Slepian กล่าว

ปฏิสสารหายไป

การสังเกตการละเมิดความเท่าเทียมกันที่อาจเกิดขึ้นในการกระจายกาแลคซีถือเป็นข่าวที่น่าตื่นเต้น นอกจากการแนะนำการมีอยู่ของฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐานแล้ว ยังสามารถช่วยไขปริศนาที่ลึกล้ำที่สุดของฟิสิกส์อีกประการหนึ่งได้: เหตุใดจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสารในจักรวาล

แบบจำลองมาตรฐานทำนายว่าบิกแบงจะมีสสารและปฏิสสารในปริมาณเท่ากัน หากเป็นเช่นนั้น สสารและปฏิสสารคงจะทำลายล้างซึ่งกันและกัน และทำให้จักรวาลไม่มีทั้งสองอย่าง โชคดีสำหรับเราที่ดูเหมือนว่าจะมีสสารเหลืออยู่มากเกินไป ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าแบริโอเจเนซิส

เป็นไปได้ว่ากลไกที่ทำให้เกิดการละเมิดความเท่าเทียมกันซึ่งนำไปสู่การสังเกตทางดาราศาสตร์ครั้งล่าสุดนี้อาจเกี่ยวข้องกับการเกิดแบริโอเนซิสเช่นกัน

“มีกลไกหลายอย่างที่สามารถทำให้เกิดการละเมิดความเท่าเทียมกันได้ ซึ่งทั้งหมดนี้ค่อนข้างเป็นการคาดเดา” Slepian กล่าว เขาอ้างถึงอนุภาคสมมุติที่เรียกว่า axions หรือแรงพื้นฐานอันใดอันหนึ่งซึ่งมีพฤติกรรมแตกต่างออกไปในพลังงานสูงของบิกแบง แม้ว่าจะไม่รับประกันว่ากลไกใดก็ตามที่ทำให้เกิดการละเมิดความเท่าเทียมกันในกาแลคซีสามารถอธิบายการเกิดแบรีโอเจเนซิสได้ ผมคิดว่าน่าจะมีความสัมพันธ์กันอย่างแน่นอน

แม้ว่าการมีอยู่ของความไม่สมดุลของดาราจักรนี้ยังไม่ได้รับการยืนยันอย่างไม่ต้องสงสัย การค้นพบนี้ให้หลักฐานที่ชัดเจนว่าอัตราเงินเฟ้อและฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม ข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบในข้อมูลอาจเป็นสาเหตุของการสังเกตได้ “ฉันจะรู้สึกดีขึ้นมากเมื่อเห็นสัญญาณเดียวกันในชุดข้อมูลที่แตกต่างกันซึ่งถ่ายโดยเครื่องมือที่แตกต่างกันด้วยซอฟต์แวร์ที่แตกต่างกันและผู้คนที่แตกต่างกัน” Slepian กล่าว

Slepian, Hou และ Cahn ล้วนเป็นสมาชิกของทีมวิทยาศาสตร์ของ เครื่องมือสเปกโตรสโกปีพลังงานมืด (DESI) ณ หอดูดาวแห่งชาติ Kitt Peak มันจะสำรวจกาแลคซีมากกว่า 35 ล้านแห่ง และทั้งสามตั้งใจที่จะใช้ DESI เพื่อสังเกตการณ์เพิ่มเติมเพื่อยืนยันการค้นพบของพวกเขา

ผลลัพธ์มีอธิบายไว้ใน ประกาศรายเดือนของสมาคมดาราศาสตร์.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์