Признаки критического дисбаланса в физике в расположении галактик
Физики долго ломали голову над тем, почему материи во Вселенной больше, чем ее перевернутого двойника, антиматерии. Без этого дисбаланса два типа материала нейтрализовали бы друг друга, не оставив ничего, кроме скучного свечения в бескрайней пустоте космоса.
Каким-то образом в какой-то момент что-то изменилось в том, как Вселенная работает на фундаментальном уровне, отдавая предпочтение зеркальному состоянию — или паритету — одного вида «вещества» по сравнению с другим.
Ученые искали ключи к разгадке этого критического момента в остатках Большого взрыва, включая космического микроволнового фона и гравитационных волн, но без особой удачи.
Исследование, проведенное тремя астрофизиками из Университета Флориды и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в США, обнаружило либо поразительно четкую сигнал о такой асимметрии вскоре после начала времени или нелепо конкретная случайная ошибка.
Более того, их результаты могут разрешить спор о том, прошла ли Вселенная через период инфляции вскоре после того, как она возникла.
«Поскольку нарушение четности может только отпечатываться во Вселенной во время инфляции, и если то, что мы обнаружили, верно, то это дает неопровержимые доказательства инфляции», — объясняет астроном из Университета Флориды Закари Слепиан.
Симметрия в физике не так уж сильно отличается от симметрия в искусстве. Поверните квадрат на 90 градусов, он будет выглядеть как квадрат, с которого вы начали. Эта вращательная симметрия довольно интуитивна, хотя изменение ориентации — это лишь один из способов преобразования объекта.
Время, заряд и четность — соблюдение определенного расположения координат (подумайте о переводах между вашими правая и левая рука) — все они также могут описывать симметрию в физике.
Нарушение симметрии четности — удобный способ понять возникновение физических взаимодействий, в частности появление слабого взаимодействия. В этом случае в слабых взаимодействиях участвуют только левые компоненты частиц и правые компоненты античастиц.
Но слабое взаимодействие недостаточно сильно, чтобы повлиять на какое-либо смещение материи по отношению к антиматерии, поэтому его основная асимметрия, вероятно, не может объяснить все эти дополнительные вещества, из которых мы состоим.
Изучая ориентацию наборов из четырех галактик на нашем небе, астроном Университета Флориды Джиамин Хоу и его коллеги смогли обнаружить асимметрию в четности в гораздо большем масштабе.
Они использовали наборы из четырех, потому что тетраэдр (треугольная пирамида) является простейшей формой, имеющей «левосторонность» и «правосторонность». По словам исследователей, это «самая простая форма, которую нельзя повернуть в зеркальное отображение в трехмерном (3D) пространстве».
В идеально симметричной Вселенной мы ожидаем найти равное количество «левосторонней» и «правосторонней» ориентации среди любых тетраэдрических распределений галактик.
Но это было не то, что обнаружил исследователь, когда использовал суперкомпьютер и новые математические модели для отслеживания тетраэдров между ошеломляющими миллионами триллионов наборов из четырех ярких красные галактики.
В обоих наборах данных, которые пробовали Хоу и ее команда, был дисбаланс — один набор содержал достаточно данных, чтобы считаться высокозначимым.
Сигма-вероятности используются для расчета вероятность того, что рассматриваемые данные являются результатом чего-то другого, чем то, что предполагается. Пять сигм — это порог, при котором исследователи действительно уверены, что то, что они видят, — это не просто хаос Вселенной в действии. Выводы команды пришли с сигмой 7.
Но Хоу и команда предупреждают, что недооценка шума в их базах данных могла добавить ложные обнаружения галактик, которые могут неточно отражать реальную Вселенную, несмотря на то, что их тесты не обнаружили никаких знак того, что это было так.
Поэтому теперь они надеются повторить свои расчеты с более крупными и точными данными о галактиках, полученными с помощью наших новых, более совершенных телескопов, таких как спектроскопический прибор темной энергии (DESI).
Как объясняет исследователь космологии Оклендского университета Шон Хотчкисс в Cosmology Talks, одна подобная аномалия может оказаться случайностью; но когда несколько связаны друг с другом, в этом, скорее всего, что-то есть.
В этом случае недавнее открытие нарушения четности было также обнаружено в космическом двойном лучепреломлении, когда полярность световой волны заставляет ее двигаться по-разному, но в гораздо более низкая уверенность.
Если открытие подтвердится, следующий вопрос будет заключаться в том, как произошло это изменение. Возможно, оно возникло в результате какого-то квантового явления, когда компактная Вселенная взорвалась, или из-за силы, которую нам еще предстоит открыть.
«Меня всегда интересовали большие вопросы о Вселенной. Что такое начало Вселенной? Каковы правила, по которым она развивается? Почему существует что-то, а не ничто?» говорит Слепян. «Эта работа посвящена этим важным вопросам».
Их исследование было опубликовано в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и Physical Review Letters. р>
