@ 2022.12.06 , 13:57

物理学家在星系分布中检测到不对称性

两个新的研究表明,某些四面体排列的星系数量超过了它们的镜像,这可能反映了宇宙诞生的细节。 但这一点还需要进一步的证实。

物理学家在星系分布中检测到不对称性
当研究人员计算边长在顺时针和逆时针方向上增加的四面体时,他们发现了令人惊讶的不平衡现象。图:Myriam Wares

物理学家们相信,他们已经探测到了天空中星系排列的惊人不对称性。 如果得到证实,这一发现将揭示出宇宙大爆炸期间运行的未知基本定律的特征。

约翰霍普金斯大学的物理学家Marc Kamionkowski说:“如果这一结果是真的,有人将获得诺贝尔奖。”他没有参与这项分析。

就像玩一个宇宙游戏 "连线 "一样,研究人员在四个星系的集合之间画线,构建出被称为四面体的四角形。当他们从100万个星系的目录中构建出所有可能的四面体时,他们发现朝向一个方向的四面体的数量超过了其镜像。

纽约哥伦比亚大学的天体物理学家Oliver Philcox在9月发表在《物理评论D》上的一篇论文中首次报告了四面体和它们的镜像之间的不平衡的现象。在同时进行的一项独立分析中,佛罗里达大学的Jiamin Hou和Zachary Slepian以及劳伦斯伯克利国家实验室的Robert Cahn发现了这种不对称性,其统计确定性达到了物理学家通常认为的确定水平。

但是对于这样一个重磅发现——而且这个发现仍在审查中——专家们表示谨慎是有必要的。

奥克兰大学的宇宙学家Shaun Hotchkiss说:“没有明显的理由表明他们犯了一个错误。 但这并不意味着没有错误。”

假定的不平衡违反了一种叫做“奇偶性”(parity)的对称,即左右的等价性。 如果这一观察经得起推敲,物理学家们认为它一定反映了原始过程中一种未知的、违反对称性的成分,而正是这种原始过程播下了所有宇宙结构的种子。

Kamionkowski说:“这是一个令人难以置信的结果——真的令人印象深刻。 我要准备真正庆祝一下了。”

左撇子宇宙

奇偶性曾是物理学中一种珍贵的对称。 但是后来,在1957年,华裔女物理学家吴健雄的核衰变实验揭示了我们的宇宙确实有一种轻微的手性:参与导致核衰变的弱核力的亚原子粒子在磁性上总是与它们运动的方向相反,因此它们就像左撇子的螺丝钉一样螺旋。 镜像粒子——就像右撇子的螺丝钉一样——感受不到弱核力。

吴健雄的发现令人震惊。 物理学家John Blatt在给Wolfgang Pauli的一封信中写道:“我们都为我们挚爱的朋友——对称性的死亡感到震惊。”

弱核力的左手性具有微妙的影响,不可能在银河系的尺度上影响宇宙。 但是自从吴健雄的发现以来,物理学家们一直在寻找宇宙与它的镜像不同的其他方式。

例如,如果在宇宙的幼年时期,某种原始的奇偶性违反起了作用,那么它可能已经在宇宙的结构上留下了扭曲的印记。

在宇宙诞生之时或临近之时,一种被称为膨胀子(inflaton)的场被认为已经弥漫了整个空间。 一种翻滚、沸腾的介质,膨胀的粒子在其中不断地冒泡又消失,膨胀子的场也是排斥的;在它可能存在的短暂时间内,它会使我们的宇宙迅速膨胀到原来大小的100万亿倍。 膨胀子场中粒子的所有量子涨落都被抛出并冻结在宇宙中,成为物质密度的变化。 在引力合并的过程中,密度较大的星云继续合并,形成了我们今天看到的星系和大尺度结构。

在 1999 年,包括Kamionkowski在内的研究人员考虑了如果在这次爆炸之前存在多个领域会发生什么。膨胀子场可能与另一个可能产生右旋粒子与左旋粒子的场相互作用。如果膨胀子场对待右旋粒子与左旋粒子不同,那么它可能会优先创造一种偏向性的粒子。这种所谓的Chern-Simons耦合会赋予早期量子波动一种偏好的手性,这会演变成星系四面体排列的左旋和右旋失衡。

至于额外的场可能是什么,一种可能是引力场。在这种情况下,一个违反奇偶性的Chern-Simons相互作用将发生在膨胀子粒子和引力子(引力的量子单位)之间,这些引力子将在膨胀期间突然出现在引力场中。这样的相互作用会在早期宇宙的密度变化中产生手性,从而在今天的大尺度结构中产生手性。

物理学家在星系分布中检测到不对称性
在这张图片中,每个圆点都代表斯隆数字天空调查和它的重离子振荡光谱调查所绘制的一个星系的位置。对这项调查中100万个星系的统计分析发现了违反对称性的证据。图:Daniel Eisenstein/SDSS-III collaboration

如今在布朗大学工作的物理学家Stephon Alexander在2006年提出,Chern-Simons引力也有可能解决宇宙学中最大的谜团之一:为什么我们的宇宙包含的物质多于反物质。他推测Chern-Simons相互作用可能产生相对较多的左旋引力子,这反过来又可能优先创造左旋物质而不是右旋反物质。

Alexander的想法在多年中仍然相对不为人知。他听说这些新发现时说:“这是一个大惊喜。”

天空中的四面体

Cahn认为,用早期宇宙中的奇偶性违反来解决物质-反物质不对称难题是“推测性的、但也具有挑战性”。2019 年,他决定查找斯隆数字天空调查中星系目录中的奇偶性违反情况。他并不指望能找到什么,但认为值得一查。

为了测试星系分布是否尊重或违反对称性,他和他的合作者知道他们需要研究四个星系的四面体排列。这是因为四面体是最简单的三维形状,只有三维物体有机会违反对称性。为了理解这一点,想像一下你的手。因为手是三维的,所以无法旋转一只左手使它看起来像一只右手。翻转你的左手,使两只手的拇指都在左侧,你的手仍然看起来不同——手掌朝向相反。相比之下,如果在纸上描绘一只左手并剪下二维图像,翻转裁剪图就会看起来像一只右手。裁剪切片和它的镜像是无法区分的。

2020年,Slepian和Cahn想出了一种方法来定义星系四面体排列的“旋转方向”,以便比较天空中左旋和右旋四面体的数量。首先,他们取一个星系,并查看与另外三个星系的距离。如果距离按顺时针方向增加,就像一个右旋螺丝,他们称四面体为右旋。如果距离逆时针增加,它就是左旋的。

物理学家在星系分布中检测到不对称性
四面体是最简单的具有奇偶性或手性的形状。它在镜子中的反射看起来不同。图:Merrill Sherman

为了确定整个宇宙是否有偏好的手性,他们必须对所有从他们的100万个星系数据库构建的四面体重复分析。这样的四面体几乎有1万亿亿个——这是一个难以处理的列表,一次只能处理一个。但是,在解决不同问题时开发的一个因式技巧允许研究人员更整体地查看四面体的奇偶性:他们不是一次组装一个四面体并确定其奇偶性,而是可以逐个查看每个星系,并根据它们与该星系的距离将所有其他星系分组,形成洋葱一样的层。通过用被称为球谐函数的角度表示每层中星系的相对位置,他们可以系统地将三层集合起来形成集体四面体。

然后,研究人员将结果与基于物理学的保持奇偶性的法则的预期进行比较。Hou领导了这一步,分析了从微小的、保持全奇偶性的密度变化开始模拟宇宙演化而生成的星系假目录。通过这些模拟目录,Hou和她的同事们可以确定左旋和右旋四面体的总数如何随机变化,即使是在一个镜像对称的世界中。

团队在实际数据中发现了“7-sigma”级别的奇偶性违反,这意味着左旋和右旋四面体之间的不平衡是随机性和其他可能误差来源的七倍。

Kamionkowski称这是“不可思议的,他们能够做到这一点”,并补充说:“从技术上讲,这绝对是令人震惊的。这是一项非常、非常、非常复杂的分析。”

Philcox 使用了类似的方法(并与Hou、Slepian 和 Cahn 合作撰写了一些早期论文,提出了这样的分析),但他做出了一些不同的选择——例如,将星系分成比Hou和同事更少的层,并在分析中省略了一些有问题的四面体——因此发现了更适中的2.9-sigma奇偶性违反。研究人员现在正在研究两种分析方法之间的差异。即使经过大量的努力来理解这些数据,所有各方仍然保持谨慎的态度。

确证的证据

这个令人惊讶的发现暗示着新的物理学,可能会解答有关宇宙的长期问题。但这项工作才刚刚开始。

首先,物理学家需要验证(或证伪)观测结果。新的、雄心勃勃的星系调查正在进行中,在此基础上重复分析。例如,正在进行的暗能量光谱仪调查已经记录了1400万个星系,完成时将包含超过3000万个星系。Cahn说,“这将给我们一个机会,用更好的统计数据更详细地查看这个问题。”

物理学家在星系分布中检测到不对称性
一个被称为罗伯特四重奏的四面体星系排列。图:ESO(欧洲南天天文台)

此外,如果违反奇偶性的信号是真实的,它可能会出现在星系分布以外的数据中。例如,天空中最古老的光——一种被称为宇宙微波背景的辐射浴,源自早期宇宙——提供了我们对宇宙空间变化的最早快照。这种光的斑点图案应该包含与稍后形成的星系相同的违反奇偶性的相关性。物理学家说应该有可能在光中找到这样的信号。

另一个可能出现的地方是可能在宇宙膨胀期间产生的引力波的模式,称为随机引力波背景。这些空间时间结构中的螺旋形涟漪可能是右手或左手,在保持奇偶性的世界中,它们将包含相等数量的每一种。因此,如果物理学家成功测量这个背景,并发现单手性受青睐,这将是早期宇宙中违反奇偶性物理学的确切的独立检查。

随着寻找确凿证据的工作开始,理论家将研究可能产生信号的宇宙膨胀模型。最近,Philcox与新泽西州普林斯顿高等研究所的理论物理学家 Giovanni Cabass合作,使用他的测量结果测试了一系列违反对称性的宇宙膨胀模型,包括那些Chern-Simons类型的模型。(他们还不能确定哪个模型是正确的——如果有的话。)

Alexander也已经开始致力于重新理解Chern-Simons引力。与Kamionkowski和平面研究所计算天体物理学中心的Cyril Creque-Sarbinowski等合作者一起,Alexander开始探索早期宇宙中Chern-Simons引力如何影响今天的星系分布的微妙细节。

“我有点像一个孤单的士兵,有一段时间在推动这个东西”,他说。“很高兴看到人们对此感兴趣。”

本文译自 Quanta Magazine,由 八里 编辑发布。


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