Вступ
Фізики вважають, що вони виявили разючу асиметрію в розташуванні галактик на небі. Якщо відкриття буде підтверджено, це вкаже на особливості невідомих фундаментальних законів, які діяли під час Великого вибуху.
«Якщо цей результат реальний, хтось отримає Нобелівську премію», — сказав він Марк Каменковскі, фізик з Університету Джона Гопкінса, який не брав участі в аналізі.
Ніби граючи в космічну гру «З’єднай крапки», дослідники провели лінії між групами з чотирьох галактик, побудувавши чотирикутні форми, які називаються тетраедрами. Коли вони побудували всі можливі тетраедри з каталогу з 1 мільйона галактик, вони виявили, що тетраедри, орієнтовані в один бік, перевищують кількість їхніх дзеркальних відображень.
Першим був натяк на дисбаланс між тетраедрами та їх дзеркальними відображеннями повідомляє by Олівер Філкокс, астрофізик з Колумбійського університету в Нью-Йорку, у статті, опублікованій у Фізичний огляд D у вересні. У незалежному аналізі, проведеному одночасно, який зараз проходить експертну перевірку, Цзямін Хоу та Захарій Слепян Університету Флориди і Роберт Кан Національної лабораторії Лоуренса Берклі виявлено асиметрія з рівнем статистичної достовірності, який фізики зазвичай вважають остаточним.
Але з огляду на таку знахідку, яка все ще розглядається, експерти кажуть, що слід бути обережними.
"Немає жодної очевидної причини, чому вони зробили помилку", - сказав Шон Гочкісс, космолог з Університету Окленда. «Це не означає, що немає помилки».
Передбачуваний дисбаланс порушує симетрію, яка називається «парність», еквівалентність лівого і правого. Якщо спостереження витримає перевірку, фізики вважають, що воно повинно відображати невідомий, порушуючий парність інгредієнт у первісному процесі, який посіяв насіння всіх структур, що розвинулися в нашому Всесвіті.
«Це неймовірний результат — дійсно вражаючий», — сказав Каменковскі. «Чи я в це вірю? Я буду чекати, щоб справді відсвяткувати».
Лівий Всесвіт
Парність колись була улюбленою симетрією фізики. Але потім, у 1957 році, китайсько-американський фізик Чієн-Шіунг Ву експериментував з ядерним розпадом виявлено що наш Всесвіт справді має певний вплив на це: субатомні частинки, що беруть участь у слабкій ядерній силі, яка спричиняє ядерний розпад, завжди магнітно орієнтовані в протилежному напрямку від того, у якому вони рухаються, так що вони спіралі, як нитки лівого -ручний гвинт. Частинки у дзеркальному відображенні — такі, як правий гвинт — не відчувають слабкої сили.
Відкриття Ву було шокуючим. «Ми всі дуже приголомшені смертю нашого улюбленого друга, паритету», — написав фізик Джон Блатт у листі до Вольфганга Паулі.
Ліворукість слабкої сили має тонкі ефекти, які не могли вплинути на космос у галактичних масштабах. Але з моменту відкриття Ву фізики шукали інші способи, якими Всесвіт відрізняється від свого дзеркального відображення.
Якби, наприклад, якесь споконвічне порушення паритету мало місце, коли Всесвіт був у зародковому стані, це могло б змінити структуру космосу.
Вважається, що під час народження Всесвіту поле, відоме як інфлатон, проникло в простір. Бурхливе, кипляче середовище, де частинки інфлатону безперервно вибухали й зникали, поле інфлатону також було відразливим; за той короткий час, який він міг існувати, це призвело б до того, що наш Всесвіт швидко розширився до 100 трильйонів трильйонів разів більше свого початкового розміру. Усі ці квантові флуктуації частинок у інфлатонному полі були викинуті назовні та заморожені у космосі, ставши варіаціями щільності матерії. Більш щільні кишені продовжували гравітаційно об’єднуватися, створюючи галактики та великомасштабні структури, які ми бачимо сьогодні.
У 1999 р. дослідники, зокрема Камьонковський вважається що сталося б, якби перед цим вибухом було більше одного поля. Поле інфлатону могло взаємодіяти з іншим полем, яке могло створювати праві та ліві частинки. Якби інфлатон трактував праві частинки по-іншому, ніж ліві, тоді він міг створити перевагу частинкам однієї спрямованості, ніж іншої. Цей так званий зв’язок Черна-Саймонса наповнив би ранні квантові флуктуації переважною орієнтацією, яка еволюціонувала б у дисбаланс лівосторонніх і правих тетраедричних розташування галактик.
Щодо того, що може бути додатковим полем, однією з можливостей є гравітаційне поле. У цьому сценарії взаємодія Черна-Саймонса, що порушує парність, виникне між інфлатонними частинками та гравітонами — квантовими одиницями гравітації — які виникнуть у гравітаційному полі під час інфляції. Така взаємодія призвела б до зміни щільності раннього Всесвіту і, як наслідок, у сучасній великомасштабній структурі.
Вступ
У 2006, Стефон Олександр, фізик, який зараз працює в Університеті Брауна, запропонований що гравітація Черна-Саймонса також потенційно може вирішити одну з найбільших загадок у космології: чому наш Всесвіт містить більше матерії, ніж антиматерії. Він припустив, що взаємодія Черна-Саймонса могла дати відносну кількість лівосторонніх гравітонів, які, у свою чергу, створили б переважно ліву матерію, ніж праву антиматерію.
Ідея Олександра залишалася відносно незрозумілою протягом багатьох років. Коли він почув про нові знахідки, він сказав, що «це був великий сюрприз».
Тетраедри в небі
Кан вважав, що можливість вирішення головоломки асиметрії матерія-антиматерія з порушенням паритету в ранньому Всесвіті була «спекулятивною, але також провокаційною». У 2019 році він вирішив шукати порушення парності в каталозі галактик у цифровому огляді неба Слоуна. Він не очікував нічого знайти, але подумав, що це варто перевірити.
Щоб перевірити, чи відповідає розподіл галактик паритету, він і його співробітники знали, що їм потрібно вивчити тетраедричні розташування чотирьох галактик. Це пояснюється тим, що тетраедр є найпростішою тривимірною формою, і тільки 3D-об’єкти мають шанс порушити парність. Щоб зрозуміти це, розгляньте свої руки. Оскільки руки тривимірні, неможливо повернути ліву, щоб вона виглядала як права. Переверніть ліву руку так, щоб великі пальці обох рук були ліворуч, і ваші руки все одно виглядатимуть інакше — долоні дивляться в протилежні сторони. Навпаки, якщо ви обведете ліву руку на аркуші паперу та виріжете двовимірне зображення, перевернувши виріз, ви будете виглядати як права рука. Виріз і його дзеркальне відображення нерозрізнені.
У 2020 році Слепян і Кан придумали спосіб визначення «рукавості» тетраедричного розташування галактик, щоб порівняти кількість лівих і правих галактик на небі. Спочатку вони взяли галактику та подивилися на відстані до трьох інших галактик. Якщо відстані збільшувалися за годинниковою стрілкою, як правий гвинт, то тетраедр називали правим. Якщо відстані збільшувалися проти годинникової стрілки, це було лівостороннім.
Щоб визначити, чи має Всесвіт в цілому переважну ручність, їм довелося повторити аналіз для всіх тетраедрів, побудованих з їхньої бази даних про 1 мільйон галактик. Існує майже 1 трильйон трильйонів таких тетраедрів — складний список, який потрібно обробляти по одному. Але був розроблений трюк факторингу попередня робота Інша проблема дозволила дослідникам поглянути на парність тетраедрів більш цілісно: замість того, щоб збирати по одному тетраедру та визначати його парність, вони могли взяти кожну галактику по черзі та згрупувати всі інші галактики відповідно до їх відстані від цієї галактики, створюючи шари, як шари цибулі. Виражаючи відносне положення галактик у кожному шарі в термінах математичних функцій кутів, званих сферичними гармоніками, вони могли систематично поєднувати набори з трьох шарів, щоб створити колективні тетраедри.
Потім дослідники порівняли результати зі своїми очікуваннями, заснованими на законах фізики, що зберігають парність. Хоу очолив цей крок, проаналізувавши підроблені каталоги галактик, які були створені шляхом моделювання еволюції Всесвіту, починаючи з крихітних варіацій щільності, що зберігають парність. З цих фіктивних каталогів Хоу та її колеги могли визначити, як випадково змінюється кількість лівосторонніх і правих тетраедрів, навіть у дзеркально-симетричному світі.
Команда виявила «сім сигм» рівень порушення паритету в реальних даних, що означає, що дисбаланс між лівосторонніми та правими тетраедрами був у сім разів більшим, ніж можна було очікувати з випадкової випадковості та інших можливих джерел помилок.
Камьонковскі назвав «неймовірним те, що вони змогли це зробити», додавши, що «технічно це абсолютно вражаюче. Це дуже, дуже, дуже складний аналіз».
Філкокс використовував подібні методи (і був співавтором деяких попередніх статей, у яких пропонувався такий аналіз разом з Хоу, Слепіаном і Каном), але він зробив деякі інші рішення — наприклад, згрупував галактики в меншу кількість шарів, ніж Хоу та його колеги, і опустив деякі проблематичні тетраедри з аналізу — і тому виявив скромніше порушення парності 2.9 сигма. Зараз дослідники вивчають відмінності між своїми аналізами. Навіть після значних зусиль, щоб зрозуміти дані, усі сторони залишаються обережними.
Підтверджуючі докази
Дивовижна знахідка натякає на нову фізику, яка потенційно може відповісти на давні питання про Всесвіт. Але робота тільки почалася.
Спочатку фізикам потрібно перевірити (або сфальсифікувати) спостереження. Нові амбітні огляди галактик, на яких можна повторити аналіз, уже тривають. Наприклад, поточне дослідження спектроскопічного приладу темної енергії зареєструвало 14 мільйонів галактик і міститиме понад 30 мільйонів, коли воно буде завершено. «Це дасть нам можливість розглянути це більш детально з набагато кращою статистикою», — сказав Кан.
Вступ
Крім того, якщо сигнал, що порушує парність, є справжнім, він може відображатися в інших даних, ніж розподіл галактик. Наприклад, найдавніше світло на небі — радіаційна ванна, відома як космічний мікрохвильовий фон, що залишився від раннього Всесвіту — забезпечує наш найперший знімок просторових варіацій у космосі. Крапчастий візерунок цього світла повинен містити ті самі кореляції, що порушують парність, як і галактики, які утворилися пізніше. Фізики кажуть, що можна знайти такий сигнал у світлі.
Іншим місцем, на яке слід звернути увагу, буде картина гравітаційних хвиль, яка могла виникнути під час інфляції, яка називається стохастичним фоном гравітаційної хвилі. Ці штопороподібні хвилі в просторово-часовій тканині можуть бути правосторонніми або лівосторонніми, і в світі, де зберігається парність, вони міститимуть однакову кількість кожного. Отже, якщо фізикам вдасться виміряти цей фон і виявити, що одна рука надає перевагу, це буде однозначною, незалежною перевіркою фізики з порушенням паритету в ранньому Всесвіті.
Коли розпочнеться пошук підтверджуючих доказів, теоретики вивчатимуть моделі інфляції, які могли спричинити сигнал. с Джованні Кабасс, фізик-теоретик з Інституту передових досліджень у Прінстоні, Нью-Джерсі, Філкокс нещодавно використав свої вимірювання, щоб протестувати низку моделей, що порушують парність інфляції, в тому числі типу Черна-Саймонса. (Вони ще не можуть з упевненістю сказати, яка модель, якщо така є, правильна.)
Олександр також переорієнтував свої зусилля на розуміння гравітації Черна-Саймонса. Зі співавторами, серед яких Каміонковський і Кирило Креке-Сарбіновський з Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флатірона Олександр почав опрацьовувати тонкі деталі того, як гравітація Черна-Саймонса в ранньому Всесвіті впливала на розподіл сучасних галактик.
«Я був ніби самотнім солдатом, який деякий час проштовхував цю справу», — сказав він. «Приємно бачити, що люди цікавляться».
Примітка редактора: Flatiron Institute фінансується Фондом Сімонса, який також підтримує цей редакційно незалежний журнал. Крім того, Олівер Філкокс отримує фінансування від фонду Сімонса.
