Η μέτρηση ηλίου σε μακρινούς γαλαξίες μπορεί να δώσει στους φυσικούς πληροφορίες για το γιατί υπάρχει το σύμπαν

Η μέτρηση ηλίου σε μακρινούς γαλαξίες μπορεί να δώσει στους φυσικούς πληροφορίες για το γιατί υπάρχει το σύμπαν

Χρονική σήμανση: 27 Ιουλίου 2023 10:00 π.μ.
Κόμβος πηγής: 2790391

Όταν θεωρητικοί φυσικοί σαν εμένα λένε ότι μελετάμε γιατί υπάρχει το σύμπαν, ακουγόμαστε σαν φιλόσοφοι. Αλλά νέα δεδομένα που συλλέχθηκαν από ερευνητές που χρησιμοποιούν τα Ιαπωνικά Τηλεσκόπιο Subaru έχει αποκαλύψει ιδέες για αυτό ακριβώς το ερώτημα.

Το Big Bang ξεκίνησε το σύμπαν όπως το ξέρουμε πριν από 13.8 δισεκατομμύρια χρόνια. Πολλές θεωρίες στη σωματιδιακή φυσική προτείνουν ότι για όλη την ύλη που δημιουργήθηκε κατά τη σύλληψη του σύμπαντος, θα έπρεπε να είχε δημιουργηθεί ίση ποσότητα αντιύλης μαζί της. Η αντιύλη, όπως και η ύλη, έχει μάζα και καταλαμβάνει χώρο. Ωστόσο, τα σωματίδια αντιύλης παρουσιάζουν τις αντίθετες ιδιότητες από τα αντίστοιχα σωματίδια ύλης τους.

Όταν κομμάτια ύλης και αντιύλης συγκρούονται, αυτά εξολοθρεύσουν ο ένας τον άλλον σε μια ισχυρή έκρηξη, αφήνοντας πίσω μόνο ενέργεια. Το αινιγματικό με τις θεωρίες που προβλέπουν τη δημιουργία μιας ίσης ισορροπίας ύλης και αντιύλης είναι ότι αν ήταν αληθινές, οι δύο θα είχαν εξολοθρεύσει εντελώς η μία την άλλη, αφήνοντας το σύμπαν κενό. Πρέπει λοιπόν να υπήρχε περισσότερη ύλη από αντιύλη κατά τη γέννηση του σύμπαντος, επειδή το σύμπαν δεν είναι κενό. είναι γεμάτο με πράγματα που είναι φτιαγμένα από ύλη, όπως γαλαξίες, αστέρια και πλανήτες. Λίγη αντιύλη υπάρχει γύρω μας, αλλά είναι πολύ σπάνιο.

Ως φυσικός που εργάζεται στα δεδομένα της Subaru, με ενδιαφέρει αυτό το λεγόμενο πρόβλημα ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης. Στο δικό μας πρόσφατη μελέτη, οι συνεργάτες μου και εγώ ανακαλύψαμε ότι η νέα μέτρηση του τηλεσκοπίου για την ποσότητα και τον τύπο ηλίου σε μακρινούς γαλαξίες μπορεί να προσφέρει μια λύση σε αυτό το μακροχρόνιο μυστήριο.

Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη

Στα πρώτα χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν ήταν ζεστό, πυκνό και γεμάτο στοιχειώδη σωματίδια όπως πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια κολυμπώντας σε ένα πλάσμα. Επίσης παρόντες σε αυτή τη δεξαμενή σωματιδίων ήταν νετρίνα, τα οποία είναι πολύ μικροσκοπικά, ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια, και τα αντινετρίνα, τα αντίστοιχα της αντιύλης.

Οι φυσικοί πιστεύουν ότι μόλις ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, οι πυρήνες του φωτός στοιχεία όπως το υδρογόνο και άρχισε να σχηματίζεται ήλιο. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως Πυρηνοσύνθεση Big Bang. Οι πυρήνες που σχηματίστηκαν ήταν περίπου 75 τοις εκατό πυρήνες υδρογόνου και 24 τοις εκατό πυρήνες ηλίου, συν μικρές ποσότητες βαρύτερων πυρήνων.

Η κοινότητα της φυσικής η πιο ευρέως αποδεκτή θεωρία σχετικά με το σχηματισμό αυτών των πυρήνων μας λέει ότι τα νετρίνα και τα αντινετρίνα έπαιξαν θεμελιώδη ρόλο στη δημιουργία πυρήνων ηλίου, ειδικότερα.

Η δημιουργία ηλίου στο πρώιμο σύμπαν συνέβη σε μια διαδικασία δύο σταδίων. Πρώτον, τα νετρόνια και τα πρωτόνια μετατρέπονται από το ένα στο άλλο σε α σειρά διαδικασιών που περιλαμβάνει νετρίνα και αντινετρίνα. Καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, αυτές οι διαδικασίες σταμάτησαν και το ορίστηκε η αναλογία πρωτονίων προς νετρόνια.

Ως θεωρητικοί φυσικοί, μπορούμε να δημιουργήσουμε μοντέλα για να ελέγξουμε πώς η αναλογία πρωτονίων προς νετρόνια εξαρτάται από τον σχετικό αριθμό των νετρίνων και των αντινετρίνων στο πρώιμο σύμπαν. Αν υπήρχαν περισσότερα νετρίνα, τότε τα μοντέλα μας δείχνουν περισσότερα πρωτόνια και ως αποτέλεσμα θα υπήρχαν λιγότερα νετρόνια.

Καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, το υδρογόνο, το ήλιο και άλλα στοιχεία που σχηματίζεται από αυτά τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Το ήλιο αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, και το υδρογόνο είναι μόνο ένα πρωτόνιο και κανένα νετρόνιο. Έτσι, όσο λιγότερα είναι τα διαθέσιμα νετρόνια στο πρώιμο σύμπαν, τόσο λιγότερο ήλιο θα παράγεται.

Επειδή οι πυρήνες σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της πυρηνοσύνθεσης του Big Bang μπορεί να παρατηρηθεί ακόμα και σήμερα, οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν πόσα νετρίνα και αντινετρίνα υπήρχαν κατά τη διάρκεια του πρώιμου σύμπαντος. Αυτό το κάνουν κοιτάζοντας συγκεκριμένα γαλαξίες που είναι πλούσιοι σε ελαφρά στοιχεία όπως το υδρογόνο και το ήλιο.

Ένα διάγραμμα που δείχνει πώς τα πρωτόνια και τα νετρόνια σχηματίζουν άτομα ηλίου.
Σε μια σειρά από συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας, στοιχεία όπως το ήλιο σχηματίζονται στο πρώιμο σύμπαν. Εδώ, το D σημαίνει δευτέριο, ένα ισότοπο υδρογόνου με ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, και το γ σημαίνει φωτόνια, ή ελαφρά σωματίδια. Στη σειρά των αλυσιδωτών αντιδράσεων που παρουσιάζονται, τα πρωτόνια και τα νετρόνια συντήκονται για να σχηματίσουν δευτέριο, στη συνέχεια αυτοί οι πυρήνες δευτερίου συντήκονται για να σχηματίσουν πυρήνες ηλίου. Πίστωση εικόνας: Anne-Katherine Burns

Μια ένδειξη στο Ήλιο

Πέρυσι, η Subaru Collaboration —μια ομάδα Ιαπώνων επιστημόνων που εργάζονται στο τηλεσκόπιο Subaru— δημοσίευσε δεδομένα για 10 γαλαξίες πολύ έξω από τα δικά μας που αποτελούνται σχεδόν αποκλειστικά από υδρογόνο και ήλιο.

Χρησιμοποιώντας μια τεχνική που επιτρέπει στους ερευνητές να διακρίνουν διαφορετικά στοιχεία μεταξύ τους με βάση τα μήκη κύματος του φωτός που παρατηρήθηκε στο τηλεσκόπιο, οι επιστήμονες της Subaru προσδιόρισαν ακριβώς πόσο ήλιο υπάρχει σε καθέναν από αυτούς τους 10 γαλαξίες. Είναι σημαντικό ότι βρήκαν λιγότερο ήλιο από ό,τι προέβλεπε η προηγουμένως αποδεκτή θεωρία.

Με αυτό το νέο αποτέλεσμα, οι συνεργάτες μου και εγώ δουλέψαμε προς τα πίσω για να βρούμε το αριθμός νετρίνων και αντινετρίνων απαραίτητο για την παραγωγή της αφθονίας ηλίου που βρίσκεται στα δεδομένα. Σκεφτείτε ξανά το μάθημα των μαθηματικών της ένατης τάξης όταν σας ζητήθηκε να λύσετε το "Χ" σε μια εξίσωση. Αυτό που έκανε η ομάδα μου ήταν ουσιαστικά η πιο εξελιγμένη εκδοχή αυτού, όπου το "Χ" μας ήταν ο αριθμός των νετρίνων ή των αντινετρίνων.

Η προηγουμένως αποδεκτή θεωρία προέβλεψε ότι θα έπρεπε να υπάρχει ο ίδιος αριθμός νετρίνων και αντινετρίνων στο πρώιμο σύμπαν. Ωστόσο, όταν τροποποιήσαμε αυτήν τη θεωρία για να μας δώσουμε μια πρόβλεψη που ταιριάζει με το νέο σύνολο δεδομένων, Το βρήκαμε ο αριθμός των νετρίνων ήταν μεγαλύτερος από τον αριθμό των αντινετρίνων.

Τι σημαίνουν όλα αυτά?

Αυτή η ανάλυση νέων δεδομένων γαλαξιών πλούσιων σε ήλιο έχει μια ευρεία συνέπεια—μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει την ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης. Τα δεδομένα της Subaru μας οδηγούν απευθείας σε μια πηγή αυτής της ανισορροπίας: τα νετρίνα. Σε αυτή τη μελέτη, οι συνεργάτες μου και εγώ αποδείξαμε ότι αυτή η νέα μέτρηση του ηλίου είναι σύμφωνη με το ότι υπήρχαν περισσότερα νετρίνα παρά αντινετρίνα στο πρώιμο σύμπαν. Διά μέσου γνωστές και πιθανές διαδικασίες σωματιδιακής φυσικής, η ασυμμετρία στα νετρίνα θα μπορούσε να μεταδοθεί σε ασυμμετρία σε όλη την ύλη.

Το αποτέλεσμα της μελέτης μας είναι ένας κοινός τύπος αποτελέσματος στον κόσμο της θεωρητικής φυσικής. Βασικά, ανακαλύψαμε έναν βιώσιμο τρόπο με τον οποίο θα μπορούσε να είχε παραχθεί η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι σίγουρα δημιουργήθηκε με αυτόν τον τρόπο. Το γεγονός ότι τα δεδομένα ταιριάζουν με τη θεωρία μας είναι μια υπόδειξη ότι η θεωρία που προτείναμε μπορεί να είναι η σωστή, αλλά αυτό το γεγονός από μόνο του δεν σημαίνει ότι είναι.

Λοιπόν, είναι αυτά τα μικροσκοπικά νετρίνα το κλειδί για την απάντηση στην παλιά ερώτηση, "Γιατί υπάρχει οτιδήποτε;" Σύμφωνα με αυτή τη νέα έρευνα, μπορεί να είναι.Η Συνομιλία

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Image Credit: NASA

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κέντρο μοναδικότητας