Måling af helium i fjerne galakser kan give fysikere indsigt i, hvorfor universet eksisterer

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Når teoretiske fysikere som mig selv siger, at vi studerer, hvorfor universet eksisterer, lyder vi som filosoffer. Men nye data indsamlet af forskere ved hjælp af Japans Subaru teleskop har afsløret indsigt i netop det spørgsmål.

Det store brag kickstartede universet som vi kender det for 13.8 milliarder år siden. Mange teorier i partikelfysik tyder på, at for alt det stof, der blev skabt ved universets undfangelse, burde en lige stor mængde antistof være blevet skabt ved siden af det. Antistof har ligesom stof masse og optager plads. Imidlertid udviser antistofpartikler de modsatte egenskaber af deres tilsvarende stofpartikler.

Når stykker af stof og antistof kolliderer, de udslette hinanden i en kraftig eksplosion, og efterlader kun energi. Det forvirrende ved teorier, der forudsiger skabelsen af en ligelig balance mellem stof og antistof, er, at hvis de var sande, ville de to have udslettet hinanden totalt og efterladt universet tomt. Så der må have været mere stof end antistof ved universets fødsel, for universet er ikke tomt; den er fuld af ting, der er lavet af stof, som galakser, stjerner og planeter. En lille smule antistof findes omkring os, men det er meget sjældent.

Som en fysiker, der arbejder på Subaru-data, jeg er interesseret i denne såkaldte stof-antistof asymmetri problem. I vores nylig undersøgelse, fandt mine samarbejdspartnere og jeg ud af, at teleskopets nye måling af mængden og typen af helium i fjerne galakser kan tilbyde en løsning på dette langvarige mysterium.

Efter Big Bang

I de første millisekunder efter Big Bang var universet varmt, tæt og fyldt med elementarpartikler som protoner, neutroner og elektroner svømmer rundt i et plasma. Også til stede i denne pulje af partikler var neutrinoer, som er meget små, svagt interagerende partikler, og antineutrinoer, deres antistof-modstykker.

Fysikere mener, at kun et sekund efter Big Bang, lysets kerner grundstoffer som brint og helium begyndte at dannes. Denne proces er kendt som Big Bang nukleosyntese. De dannede kerner var ca 75 procent brintkerner og 24 procent heliumkernerplus små mængder af tungere kerner.

Fysiksamfundets mest almindeligt accepterede teori om dannelsen af disse kerner fortæller os, at neutrinoer og antineutrinoer spillede en grundlæggende rolle i skabelsen af heliumkerner, især.

Helium skabelse i det tidlige univers skete i en to-trins proces. Først omdannes neutroner og protoner fra den ene til den anden i en række af processer involverer neutrinoer og antineutrinoer. Efterhånden som universet afkølede, stoppede disse processer, og den forholdet mellem protoner og neutroner blev indstillet.

Som teoretiske fysikere kan vi skabe modeller for at teste, hvordan forholdet mellem protoner og neutroner afhænger af det relative antal neutrinoer og antineutrinoer i det tidlige univers. Hvis flere neutrinoer var til stede, så viser vores modeller flere protoner og færre neutroner ville eksistere som et resultat.

Efterhånden som universet afkølede, blev brint, helium og andre grundstoffer dannet af disse protoner og neutroner. Helium består af to protoner og to neutroner, og brint er kun én proton og ingen neutroner. Så jo færre neutroner der er tilgængelige i det tidlige univers, jo mindre helium ville der blive produceret.

Fordi kernerne blev dannet under Big Bang-nukleosyntesen kan stadig ses i dag, kan videnskabsmænd udlede, hvor mange neutrinoer og antineutrinoer, der var til stede under det tidlige univers. Det gør de ved at se specifikt på galakser, der er rige på lette grundstoffer som brint og helium.

Et diagram, der viser, hvordan protoner og neutroner danner heliumatomer. — I en række højenergipartikelkollisioner dannes elementer som helium i det tidlige univers. Her står D for deuterium, en isotop af brint med én proton og én neutron, og γ står for fotoner eller lyspartikler. I den viste række af kædereaktioner smelter protoner og neutroner sammen for at danne deuterium, derefter smelter disse deuteriumkerner sammen og danner heliumkerner. Billedkredit: Anne-Katherine Burns

En ledetråd i helium

Sidste år udgav Subaru Collaboration - en gruppe japanske forskere, der arbejder på Subaru-teleskopet - data om 10 galakser langt uden for vores egen, som næsten udelukkende består af brint og helium.

Brug af en teknik, der gør det muligt for forskere at skelne forskellige elementer fra hinanden baseret på lysets bølgelængder observeret i teleskopet, bestemte Subaru-forskerne nøjagtigt, hvor meget helium der findes i hver af disse 10 galakser. Det er vigtigt, at de fandt mindre helium end den tidligere accepterede teori forudsagde.

Med dette nye resultat arbejdede mine samarbejdspartnere og jeg baglæns for at finde antal neutrinoer og antineutrinoer nødvendigt for at producere heliummængden, der findes i dataene. Tænk tilbage på din matematiktime i niende klasse, da du blev bedt om at løse "X" i en ligning. Hvad mit team gjorde, var i det væsentlige den mere sofistikerede version af det, hvor vores "X" var antallet af neutrinoer eller antineutrinoer.

Den tidligere accepterede teori forudsagde, at der skulle være det samme antal neutrinoer og antineutrinoer i det tidlige univers. Men da vi justerede denne teori for at give os en forudsigelse, der matchede det nye datasæt, det fandt vi antallet af neutrinoer var større end antallet af antineutrinoer.

Hvad betyder det hele?

Denne analyse af nye heliumrige galaksedata har en vidtrækkende konsekvens - den kan bruges til at forklare asymmetrien mellem stof og antistof. Subaru-dataene peger os direkte på en kilde til den ubalance: neutrinoer. I denne undersøgelse beviste mine samarbejdspartnere og jeg, at denne nye måling af helium er i overensstemmelse med, at der er flere neutrinoer end antineutrinoer i det tidlige univers. igennem kendte og sandsynlige partikelfysiske processer, kunne asymmetrien i neutrinoerne forplante sig til en asymmetri i alt stof.

Resultatet af vores undersøgelse er en almindelig type resultater i den teoretiske fysikverden. Grundlæggende opdagede vi en levedygtig måde, hvorpå stof-antistof-asymmetrien kunne være blevet produceret, men det betyder ikke, at den bestemt blev produceret på den måde. Det faktum, at dataene passer med vores teori, er et hint om, at den teori, vi har foreslået, kan være den rigtige, men dette faktum alene betyder ikke, at det er det.

Så er disse små neutrinoer nøglen til at besvare det ældgamle spørgsmål: "Hvorfor eksisterer der noget?" Ifølge denne nye forskning kan de bare være det.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Billede Credit: NASA