قياس الهيليوم في المجرات البعيدة قد يمنح الفيزيائيين نظرة ثاقبة حول سبب وجود الكون

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

عندما يقول علماء الفيزياء النظرية مثلي أننا ندرس سبب وجود الكون ، فإننا نبدو مثل الفلاسفة. لكن البيانات الجديدة التي جمعها باحثون باستخدام البيانات اليابانية تلسكوب سوبارو قد كشفت عن رؤى ثاقبة لهذا السؤال بالذات.

الانفجار الكبير بدأ الكون كما نعرفها قبل 13.8 مليار سنة. نظريات كثيرة يشير في فيزياء الجسيمات إلى أنه بالنسبة لجميع المواد التي تم إنشاؤها عند تصور الكون ، يجب إنشاء كمية متساوية من المادة المضادة بجانبها. المادة المضادة ، مثل المادة ، لها كتلة وتحتل مساحة. ومع ذلك ، تظهر جسيمات المادة المضادة الخصائص المعاكسة لجزيئات المادة المقابلة لها.

عندما تصطدم قطع من المادة والمادة المضادة ، فإنها تصطدم يدمرون بعضهم البعض في انفجار قوي، تاركين ورائهم الطاقة فقط. الشيء المحير في النظريات التي تتنبأ بإنشاء توازن متساوٍ بين المادة والمادة المضادة هو أنه إذا كانت صحيحة ، لكان الاثنان قد أبادا بعضهما البعض تمامًا ، تاركين الكون فارغًا. لذلك لابد أنه كان هناك مادة أكثر من المادة المضادة عند ولادة الكون ، لأن الكون ليس فارغًا ؛ إنه مليء بأشياء مصنوعة من المادة ، مثل المجرات والنجوم والكواكب. القليل من المادة المضادة موجود من حولنالكنها نادرة جدا.

ك فيزيائي يعمل على بيانات سوبارو، أنا مهتم بهذا ما يسمى مشكلة عدم تناسق المادة والمادة المضادة. في منطقتنا دراسة حديثة، وزملائي وجدت أن القياس الجديد الذي أجراه التلسكوب لكمية ونوع الهيليوم في المجرات البعيدة قد يقدم حلاً لهذا اللغز الذي طال أمده.

بعد الانفجار العظيم

في الملي ثانية الأولى بعد الانفجار العظيم ، كان الكون ساخنًا ، كثيفًا ، ومليئًا بالجسيمات الأولية مثل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات السباحة في البلازما. كانت موجودة أيضًا في هذه البركة من الجسيمات النيوترونات، وهي جزيئات صغيرة جدًا ضعيفة التفاعل ، ومضادات النيترينو ، نظائرها من المادة المضادة.

يعتقد الفيزيائيون أنه بعد ثانية واحدة فقط من الانفجار العظيم ، نوى الضوء عناصر مثل الهيدروجين وبدأ تكوين الهيليوم. تُعرف هذه العملية باسم التخليق النووي للانفجار الكبير. كانت النوى المتكونة على وشك 75 بالمائة نوى هيدروجين و 24 بالمائة نوى هيليوم، بالإضافة إلى كميات صغيرة من النوى الثقيلة.

مجتمع الفيزياء النظرية الأكثر قبولًا على نطاق واسع يخبرنا علم تكوين هذه النوى أن النيوترينوات والنيوترينوات المضادة لعبت دورًا أساسيًا في تكوين نوى الهيليوم، على وجه الخصوص.

حدث تكوين الهيليوم في الكون المبكر في عملية من خطوتين. أولاً ، يتم تحويل النيوترونات والبروتونات من واحد إلى الآخر في a سلسلة من العمليات التي تنطوي على النيوترينوات ومضادات النترينو. مع برودة الكون ، توقفت هذه العمليات و تم تحديد نسبة البروتونات إلى النيوترونات.

بصفتنا فيزيائيين نظريين ، يمكننا إنشاء نماذج لاختبار كيفية اعتماد نسبة البروتونات إلى النيوترونات على العدد النسبي للنيوترينوات ومضادات النوترينوات في الكون المبكر. لو كان هناك المزيد من النيوترينوات، ثم تُظهر نماذجنا عددًا أكبر من البروتونات وسيتواجد عدد أقل من النيوترونات نتيجة لذلك.

عندما برد الكون ، بدأ الهيدروجين والهيليوم وعناصر أخرى بتبريده تتكون من هذه البروتونات والنيوترونات. يتكون الهيليوم من بروتونين ونيوترونين ، والهيدروجين ما هو إلا بروتون واحد وليس نيوترونات. لذلك كلما قل عدد النيوترونات المتوفرة في بداية الكون ، قل إنتاج الهيليوم.

لأن النوى تشكلت أثناء عملية التخليق النووي للانفجار الكبير لا يزال من الممكن ملاحظتها اليوم، يمكن للعلماء استنتاج عدد النيوترينوات ومضادات النوترينوات التي كانت موجودة خلال الكون المبكر. يفعلون ذلك من خلال النظر على وجه التحديد إلى المجرات الغنية بالعناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم.

رسم بياني يوضح كيف تشكل البروتونات والنيوترونات ذرات الهيليوم. — في سلسلة من تصادمات الجسيمات عالية الطاقة ، تتشكل عناصر مثل الهيليوم في بداية الكون. هنا ، D تعني الديوتيريوم ، وهو نظير للهيدروجين مع بروتون واحد ونيوترون واحد ، و تعني الفوتونات أو الجسيمات الخفيفة. في سلسلة التفاعلات المتسلسلة الموضحة ، تندمج البروتونات والنيوترونات لتكوين الديوتيريوم ، ثم تندمج نوى الديوتيريوم هذه لتكوين نوى الهيليوم. حقوق الصورة: آن كاثرين بيرنز

دليل في الهيليوم

في العام الماضي ، أصدرت شركة Subaru Collaboration - وهي مجموعة من العلماء اليابانيين الذين يعملون على تلسكوب سوبارو - بيانات حول 10 مجرة بعيدًا عن منطقتنا التي تتكون بشكل حصري تقريبًا من الهيدروجين والهيليوم.

استخدام تقنية تسمح للباحثين بتمييز العناصر المختلفة عن بعضها البعض بناءً على أطوال موجات الضوء لوحظ في التلسكوب ، حدد علماء سوبارو بالضبط كمية الهيليوم الموجودة في كل من هذه المجرات العشر. الأهم من ذلك ، أنهم وجدوا كمية أقل من الهيليوم مما تنبأت به النظرية المقبولة سابقًا.

بهذه النتيجة الجديدة ، عملت أنا والمتعاونين معي للخلف للعثور على عدد النيوترينوات ومضادات النترينو ضروري لإنتاج وفرة الهليوم الموجودة في البيانات. فكر في العودة إلى فصل الرياضيات للصف التاسع عندما طُلب منك حل "X" في معادلة. ما فعله فريقي كان في الأساس النسخة الأكثر تعقيدًا من ذلك ، حيث كان "X" لدينا هو عدد النيوترينوات أو مضادات النوترينوات.

تنبأت النظرية المقبولة سابقًا بأنه يجب أن يكون هناك نفس العدد من النيوترينوات ومضادات النيوترينوات في الكون المبكر. ومع ذلك ، عندما قمنا بتعديل هذه النظرية لتعطينا تنبؤًا يطابق مجموعة البيانات الجديدة ، لقد وجدنا أن كان عدد النيوترينوات أكبر من عدد مضادات النوترينوات.

ماذا يعني ذلك؟

هذا التحليل لبيانات المجرات الجديدة الغنية بالهيليوم له نتائج بعيدة المدى - يمكن استخدامه لشرح عدم التناسق بين المادة والمادة المضادة. توجهنا بيانات سوبارو مباشرة إلى مصدر لهذا الخلل: النيوترينوات. في هذه الدراسة ، أثبتت أنا ومعاوني أن هذا القياس الجديد للهيليوم يتوافق مع وجود المزيد من النيوترينوات ثم مضادات النيترينوات في الكون المبكر. خلال عمليات فيزياء الجسيمات المعروفة والمحتملة، يمكن أن ينتشر عدم التناسق في النيوترينوات إلى عدم تناسق في كل المادة.

نتيجة دراستنا هي نوع شائع من النتائج في عالم الفيزياء النظرية. في الأساس ، اكتشفنا طريقة قابلة للتطبيق يمكن من خلالها إنتاج عدم تناسق المادة والمادة المضادة ، لكن هذا لا يعني أنه تم إنتاجه بهذه الطريقة بالتأكيد. حقيقة أن البيانات تتناسب مع نظريتنا هي تلميح إلى أن النظرية التي اقترحناها قد تكون صحيحة ، لكن هذه الحقيقة وحدها لا تعني أنها كذلك.

إذن ، هل هذه النيوترينوات الصغيرة جدًا هي المفتاح للإجابة على السؤال القديم ، "لماذا يوجد أي شيء؟" وفقًا لهذا البحث الجديد ، فقد يكونون كذلك.

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.

الصورة الائتمان: وكالة ناسا