Sự bất đối xứng được phát hiện trong sự phân bố của các thiên hà

Các nhà vật lý tin rằng họ đã phát hiện ra sự bất đối xứng nổi bật trong sự sắp xếp của các thiên hà trên bầu trời. Nếu được xác nhận, phát hiện này sẽ chỉ ra các đặc điểm của các định luật cơ bản chưa biết vận hành trong Vụ nổ lớn.

“Nếu kết quả này là có thật, ai đó sẽ nhận được giải thưởng Nobel,” ông nói Marc Kionkowski, một nhà vật lý tại Đại học Johns Hopkins, người không tham gia phân tích.

Như thể đang chơi trò chơi vũ trụ Connect the Dots, các nhà nghiên cứu đã vẽ các đường thẳng giữa các tập hợp bốn thiên hà, xây dựng các hình bốn góc gọi là tứ diện. Khi họ đã xây dựng mọi tứ diện có thể có từ một danh mục gồm 1 triệu thiên hà, họ phát hiện ra rằng các tứ diện định hướng theo một chiều nhiều hơn hình ảnh phản chiếu của chúng.

Một gợi ý về sự mất cân bằng giữa tứ diện và hình ảnh phản chiếu của chúng lần đầu tiên báo cáo by Oliver Philcox, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Columbia ở New York, trong một bài báo đăng trên Đánh giá vật lý D trong tháng Chín. Trong một phân tích độc lập được thực hiện đồng thời và hiện đang được bình duyệt, Gia Mẫn Hầu và Zachary Slepian của Đại học Florida và Robert Cahn của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley phát hiện sự bất đối xứng với mức độ chắc chắn thống kê mà các nhà vật lý thường coi là dứt khoát.

Nhưng với một phát hiện bom tấn như vậy — và một phát hiện vẫn đang được xem xét — các chuyên gia cho rằng cần phải thận trọng.

"Không có lý do rõ ràng mà họ đã phạm sai lầm," nói Shaun hotchkiss, một nhà vũ trụ học tại Đại học Auckland. “Điều đó không có nghĩa là không có lỗi.”

Sự mất cân bằng giả định vi phạm một đối xứng được gọi là “tính chẵn lẻ”, một sự tương đương giữa trái và phải. Nếu quan sát chịu được sự xem xét kỹ lưỡng, các nhà vật lý nghĩ rằng nó phải phản ánh một thành phần chưa biết, vi phạm tính chẵn lẻ trong quá trình nguyên thủy đã gieo mầm cho mọi cấu trúc phát triển trong vũ trụ của chúng ta.

“Đó là một kết quả đáng kinh ngạc — thực sự ấn tượng,” Kamionkowski nói. “Tôi có tin không? Tôi sẽ chờ đợi để thực sự ăn mừng.”

Vũ trụ thuận tay trái

Tính chẵn lẻ đã từng là một đối xứng ấp ủ của vật lý. Nhưng sau đó, vào năm 1957, thí nghiệm phân rã hạt nhân của nhà vật lý người Mỹ gốc Hoa Chien-Shiung Wu tiết lộ rằng vũ trụ của chúng ta thực sự có một chút thuận tay đối với nó: Các hạt hạ nguyên tử tham gia vào lực hạt nhân yếu, gây ra sự phân rã hạt nhân, luôn được định hướng từ tính theo hướng ngược lại với hướng mà chúng chuyển động, vì vậy chúng xoắn ốc giống như các sợi chỉ của trái -tay vít. Các hạt hình ảnh phản chiếu — những hạt giống như đinh vít thuận tay phải — không cảm thấy lực yếu.

Tiết lộ của Wu đã gây sốc. Nhà vật lý John Blatt đã viết trong một lá thư gửi cho Wolfgang Pauli: “Tất cả chúng ta đều khá bàng hoàng trước cái chết của người bạn thân yêu của chúng ta, số chẵn lẻ.

Tính thuận tay trái của lực yếu có những tác động tinh vi không thể ảnh hưởng đến vũ trụ trên quy mô thiên hà. Nhưng kể từ khám phá của Wu, các nhà vật lý đã tìm kiếm những cách khác để vũ trụ khác với hình ảnh phản chiếu của nó.

Ví dụ, nếu một sự vi phạm tính chẵn lẻ nguyên thủy nào đó xảy ra khi vũ trụ ở giai đoạn sơ khai, thì nó có thể đã in dấu một sự xoắn lên cấu trúc của vũ trụ.

Vào hoặc gần thời điểm vũ trụ ra đời, một trường được gọi là inflaton được cho là đã tràn ngập không gian. Một môi trường sôi, quay, trong đó các hạt inflaton liên tục sủi bọt và biến mất, trường inflaton cũng có tính đẩy; trong một khoảng thời gian ngắn nó có thể tồn tại, nó sẽ khiến vũ trụ của chúng ta nhanh chóng giãn nở gấp 100 nghìn tỷ nghìn tỷ lần kích thước ban đầu của nó. Tất cả những dao động lượng tử đó của các hạt trong trường inflaton đều bị ném ra ngoài và đóng băng vào vũ trụ, trở thành những biến thể trong mật độ của vật chất. Các túi dày đặc hơn tiếp tục kết hợp với nhau theo lực hấp dẫn để tạo ra các thiên hà và cấu trúc quy mô lớn mà chúng ta thấy ngày nay.

Năm 1999, các nhà nghiên cứu bao gồm Kamionkowski xem xét điều gì sẽ xảy ra nếu có nhiều hơn một trường xuất hiện trước vụ nổ này. Trường inflaton có thể đã tương tác với một trường khác có thể tạo ra các hạt thuận tay phải và thuận tay trái. Nếu lạm phát xử lý các hạt thuận tay phải khác với các hạt thuận tay trái, thì nó có thể ưu tiên tạo ra các hạt thuận tay này hơn hạt thuận tay kia. Cái gọi là khớp nối Chern-Simons này sẽ thấm nhuần các dao động lượng tử ban đầu với sự thuận tay ưu tiên, điều này sẽ phát triển thành sự mất cân bằng của sự sắp xếp tứ diện thuận tay trái và thuận tay phải của các thiên hà.

Đối với trường bổ sung có thể là gì, một khả năng là trường hấp dẫn. Trong kịch bản này, tương tác Chern-Simons vi phạm tính chẵn lẻ sẽ xảy ra giữa các hạt inflaton và graviton – đơn vị lượng tử của lực hấp dẫn – sẽ xuất hiện trong trường hấp dẫn trong quá trình lạm phát. Một tương tác như vậy sẽ tạo ra sự thuận tay trong các biến thể mật độ của vũ trụ sơ khai và do đó, trong cấu trúc quy mô lớn ngày nay.

Trong 2006, Stephon Alexander, một nhà vật lý hiện đang làm việc tại Đại học Brown, đề nghị rằng lực hấp dẫn của Chern-Simons cũng có khả năng giải quyết một trong những bí ẩn lớn nhất trong vũ trụ học: tại sao vũ trụ của chúng ta chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất. Ông phỏng đoán rằng tương tác Chern-Simons có thể tạo ra một lượng tương đối dồi dào graviton thuận tay trái, từ đó sẽ ưu tiên tạo ra vật chất thuận tay trái hơn là phản vật chất thuận tay phải.

Ý tưởng của Alexander vẫn tương đối mơ hồ trong nhiều năm. Khi nghe về những phát hiện mới, anh ấy nói, “đó là một bất ngờ lớn.”

tứ diện trên bầu trời

Cahn cho rằng khả năng giải bài toán bất đối xứng vật chất-phản vật chất với sự vi phạm tính chẵn lẻ trong vũ trụ sơ khai là “mang tính suy đoán, nhưng cũng mang tính khiêu khích”. Năm 2019, anh ấy quyết định tìm kiếm sự vi phạm tính chẵn lẻ trong danh mục các thiên hà trong Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan. Anh ấy không mong đợi tìm thấy bất cứ thứ gì nhưng nghĩ rằng nó sẽ đáng để kiểm tra.

Để kiểm tra xem sự phân bố của thiên hà tôn trọng hay vi phạm tính chẵn lẻ, ông và các cộng tác viên của mình biết rằng họ cần nghiên cứu sự sắp xếp tứ diện của bốn thiên hà. Điều này là do tứ diện là hình dạng ba chiều đơn giản nhất và chỉ các đối tượng 3D mới có cơ hội vi phạm tính chẵn lẻ. Để hiểu điều này, hãy xem xét bàn tay của bạn. Vì các kim ở dạng 3D nên không có cách nào xoay bên trái để làm cho nó trông giống bên phải. Lật bàn tay trái của bạn sao cho ngón tay cái của cả hai bàn tay đều ở bên trái và bàn tay của bạn trông vẫn khác - lòng bàn tay hướng về phía đối diện. Ngược lại, nếu bạn vạch một bàn tay trái trên một tờ giấy và cắt hình ảnh 2D ra, thì việc lật hình cắt ra sẽ khiến nó trông giống như một bàn tay phải. Hình cắt và hình ảnh phản chiếu của nó không thể phân biệt được.

Vào năm 2020, Slepian và Cahn đã nghĩ ra một cách xác định “sự thuận tay” của sự sắp xếp tứ diện của các thiên hà nhằm so sánh số thiên hà thuận tay trái và thuận tay phải trên bầu trời. Đầu tiên, họ lấy một thiên hà và xem xét khoảng cách đến ba thiên hà khác. Nếu khoảng cách tăng theo chiều kim đồng hồ giống như vít thuận tay phải, thì chúng được gọi là tứ diện thuận tay phải. Nếu khoảng cách tăng ngược chiều kim đồng hồ, nó thuận tay trái.

Để xác định xem toàn bộ vũ trụ có thuận tay hay không, họ phải lặp lại phân tích cho tất cả các khối tứ diện được xây dựng từ cơ sở dữ liệu gồm 1 triệu thiên hà của họ. Có gần 1 nghìn tỷ nghìn tỷ khối tứ diện như vậy — một danh sách khó xử lý từng cái một. Nhưng một thủ thuật bao thanh toán được phát triển trong làm việc sớm hơn về một vấn đề khác cho phép các nhà nghiên cứu xem xét tính chẵn lẻ của các tứ diện một cách toàn diện hơn: Thay vì lắp ráp từng tứ diện một và xác định tính chẵn lẻ của nó, họ có thể lần lượt lấy từng thiên hà và nhóm tất cả các thiên hà khác theo khoảng cách của chúng với thiên hà đó, tạo các lớp giống như các lớp của củ hành tây. Bằng cách biểu thị vị trí tương đối của các thiên hà trong mỗi lớp dưới dạng các hàm toán học của các góc gọi là sóng hài hình cầu, họ có thể kết hợp một cách có hệ thống các bộ ba lớp để tạo thành tứ diện tập thể.

Sau đó, các nhà nghiên cứu so sánh kết quả với kỳ vọng của họ dựa trên các định luật vật lý bảo toàn tính chẵn lẻ. Hou dẫn đầu bước này, phân tích các danh mục giả của các thiên hà đã được tạo ra bằng cách mô phỏng sự tiến hóa của vũ trụ bắt đầu từ các biến thể mật độ nhỏ, bảo toàn tính chẵn lẻ. Từ những danh mục mô phỏng này, Hou và các đồng nghiệp của cô có thể xác định cách kiểm đếm của các tứ diện thuận tay trái và tay phải thay đổi ngẫu nhiên như thế nào, ngay cả trong một thế giới đối xứng gương.

Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy mức độ vi phạm tính chẵn lẻ “bảy sigma” trong dữ liệu thực, nghĩa là sự mất cân bằng giữa tứ diện thuận tay trái và tay phải lớn gấp bảy lần so với mức có thể được dự đoán từ cơ hội ngẫu nhiên và các nguồn lỗi có thể hiểu được khác.

Kamionkowski gọi đó là “thật không thể tin được khi họ có thể làm được điều đó,” nói thêm rằng “về mặt kỹ thuật, điều đó hoàn toàn đáng kinh ngạc. Đó là một phân tích thực sự, thực sự, thực sự phức tạp.”

Philcox đã sử dụng các phương pháp tương tự (và là đồng tác giả của một số bài báo trước đó đề xuất phân tích như vậy với Hou, Slepian và Cahn), nhưng ông đã đưa ra một số lựa chọn khác — ví dụ, nhóm các thiên hà thành ít lớp hơn so với Hou và các đồng nghiệp, và bỏ qua một số vấn đề. tứ diện từ phân tích — và do đó tìm thấy sự vi phạm tính chẵn lẻ 2.9-sigma khiêm tốn hơn. Các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu sự khác biệt giữa các phân tích của họ. Ngay cả sau những nỗ lực sâu rộng để hiểu dữ liệu, tất cả các bên vẫn thận trọng.

Chứng minh bằng chứng

Phát hiện đáng ngạc nhiên gợi ý về vật lý mới có khả năng trả lời những câu hỏi lâu nay về vũ trụ. Nhưng công việc chỉ mới bắt đầu.

Đầu tiên các nhà vật lý cần xác minh (hoặc làm sai lệch) quan sát. Các cuộc khảo sát thiên hà mới, đầy tham vọng để lặp lại phân tích đã được tiến hành. Chẳng hạn, cuộc khảo sát Dụng cụ quang phổ năng lượng tối đang diễn ra đã ghi lại 14 triệu thiên hà cho đến nay và sẽ chứa hơn 30 triệu thiên hà khi nó hoàn thành. Cahn nói: “Điều đó sẽ cho chúng tôi cơ hội xem xét vấn đề này chi tiết hơn nhiều với số liệu thống kê tốt hơn nhiều.

Hơn nữa, nếu tín hiệu vi phạm tính chẵn lẻ là có thật, thì nó có thể xuất hiện trong dữ liệu khác ngoài sự phân bố của các thiên hà. Ví dụ, ánh sáng lâu đời nhất trên bầu trời - một bể bức xạ được gọi là nền vi sóng vũ trụ, còn sót lại từ vũ trụ sơ khai - cung cấp ảnh chụp sớm nhất của chúng ta về các biến thể không gian trong vũ trụ. Mô hình lốm đốm của ánh sáng này phải chứa các mối tương quan vi phạm tính chẵn lẻ giống như các thiên hà hình thành sau đó. Các nhà vật lý nói rằng có thể tìm thấy một tín hiệu như vậy trong ánh sáng.

Một nơi khác để xem xét sẽ là dạng sóng hấp dẫn có thể đã được tạo ra trong quá trình lạm phát, được gọi là nền sóng hấp dẫn ngẫu nhiên. Những gợn sóng giống như cái nút chai này trong kết cấu không-thời gian có thể thuận tay phải hoặc thuận tay trái, và trong một thế giới bảo toàn tính chẵn lẻ, chúng sẽ chứa số lượng bằng nhau của mỗi loại. Vì vậy, nếu các nhà vật lý quản lý để đo nền tảng này và thấy rằng thuận tay được ưa chuộng hơn, thì đây sẽ là một kiểm tra độc lập, rõ ràng về vật lý vi phạm tính chẵn lẻ trong vũ trụ sơ khai.

Khi việc tìm kiếm bằng chứng chứng thực bắt đầu, các nhà lý thuyết sẽ nghiên cứu các mô hình lạm phát có thể tạo ra tín hiệu. Với Giovanni Cabass, một nhà vật lý lý thuyết tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey, Philcox gần đây đã sử dụng phép đo của mình để thử nghiệm một loạt các mô hình vi phạm tính chẵn lẻ của lạm phát, bao gồm cả lạm phát kiểu Chern-Simons. (Họ chưa thể nói chắc chắn mô hình nào, nếu có, là chính xác.)

Alexander cũng đã tái tập trung nỗ lực của mình vào việc tìm hiểu lực hấp dẫn của Chern-Simon. Với các cộng tác viên bao gồm Kamionkowski và Cyril Creque-Sarbinowski của Trung tâm Vật lý Thiên văn Tính toán của Viện Flatiron, Alexander đã bắt đầu nghiên cứu những chi tiết tinh tế về cách lực hấp dẫn của Chern-Simons trong vũ trụ sơ khai sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố của các thiên hà ngày nay.

Anh ấy nói: “Tôi giống như một người lính đơn độc đẩy công việc này trong một thời gian. “Thật tốt khi thấy mọi người quan tâm.”

Lưu ý của Biên tập viên: Viện Flatiron được tài trợ bởi Quỹ Simons, quỹ này cũng hỗ trợ tạp chí độc lập về mặt biên tập này. Ngoài ra, Oliver Philcox còn nhận được tài trợ từ Quỹ Simons.