اندازه‌گیری هلیوم در کهکشان‌های دور ممکن است به فیزیکدانان بینشی در مورد چرایی وجود جهان بدهد

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

وقتی فیزیکدانان نظری مانند من می گویند که ما در حال بررسی علت وجود جهان هستیم، ما مانند فیلسوفان به نظر می رسیم. اما داده های جدید توسط محققان با استفاده از ژاپن جمع آوری شده است تلسکوپ سوبارو بینش هایی را در مورد همین سوال آشکار کرده است.

بیگ بنگ کیهان را آغاز کرد همانطور که ما آن را 13.8 میلیارد سال پیش می شناسیم. بسیاری از نظریه ها در فیزیک ذرات نشان می‌دهد که با وجود تمام ماده‌ای که در تصور جهان ایجاد شده است، باید مقدار برابری از پادماده در کنار آن ایجاد می‌شد. پادماده نیز مانند ماده جرم دارد و فضا را اشغال می کند. با این حال، ذرات ضد ماده خواص متضاد ذرات ماده مربوطه خود را نشان می دهند.

وقتی قطعات ماده و پادماده با هم برخورد می کنند، آنها در یک انفجار قوی یکدیگر را نابود کنید، تنها انرژی باقی می ماند. نکته گیج کننده در مورد نظریه هایی که ایجاد تعادل برابر ماده و پادماده را پیش بینی می کنند این است که اگر آنها درست بودند، این دو به طور کامل یکدیگر را نابود می کردند و جهان را خالی می گذاشتند. بنابراین باید در زمان تولد جهان، ماده بیش از ضد ماده وجود داشته باشد، زیرا جهان خالی نیست. پر از موادی است که از ماده ساخته شده اند، مانند کهکشان ها، ستاره ها و سیارات. کمی ضد ماده در اطراف ما وجود دارد، اما بسیار نادر است.

به عنوان یک فیزیکدانی که روی داده های سوبارو کار می کند، من به این به اصطلاح علاقه مند هستم مسئله عدم تقارن ماده-ضد ماده. در ما مطالعه اخیر، من و همکارانم دریافتیم که اندازه گیری جدید تلسکوپ از میزان و نوع هلیوم در کهکشان های دور ممکن است راه حلی برای این معمای دیرینه ارائه دهد.

بعد از انفجار بزرگ

در اولین میلی ثانیه پس از انفجار بزرگ، جهان داغ، متراکم و پر از ذرات بنیادی مانند پروتون، نوترون و الکترون بود. شنا کردن در یک پلاسما. همچنین در این حوضچه ذرات حضور داشتند نوترینوها، که ذرات بسیار ریز و ضعیف هستند و پادنوترینوها، همتایان ضد ماده آنها هستند.

فیزیکدانان بر این باورند که تنها یک ثانیه پس از انفجار بزرگ، هسته های نور عناصری مانند هیدروژن و هلیوم شروع به تشکیل شد. این فرآیند به عنوان شناخته شده است بیگ بنگ هسته ای. هسته های تشکیل شده در مورد بودند 75 درصد هسته هیدروژن و 24 درصد هسته هلیومبه علاوه مقادیر کمی از هسته های سنگین تر.

جامعه فیزیک پذیرفته شده ترین نظریه در مورد شکل گیری این هسته ها به ما می گوید که نوترینوها و پادنوترینوها به ویژه نقش اساسی در ایجاد هسته های هلیوم ایفا کردند.

ایجاد هلیوم در جهان اولیه در یک فرآیند دو مرحله ای اتفاق افتاد. اول، نوترون ها و پروتون ها از یکی به دیگری در یک تبدیل شدند مجموعه ای از فرآیندها شامل نوترینوها و پادنوترینوها. با سرد شدن جهان، این فرآیندها متوقف شد و نسبت پروتون به نوترون تعیین شد.

به عنوان فیزیکدانان نظری، می‌توانیم مدل‌هایی برای آزمایش اینکه چگونه نسبت پروتون‌ها به نوترون‌ها به تعداد نسبی نوترینوها و پادنوترینوها در جهان اولیه بستگی دارد، ایجاد کنیم. اگر نوترینوهای بیشتری وجود داشتسپس مدل‌های ما پروتون‌های بیشتری را نشان می‌دهند و در نتیجه نوترون‌های کمتری وجود خواهند داشت.

با سرد شدن جهان، هیدروژن، هلیوم و عناصر دیگر از این پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است. هلیوم از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است و هیدروژن فقط یک پروتون است و نوترون ندارد. بنابراین هر چه تعداد نوترون های موجود در جهان اولیه کمتر باشد، هلیوم کمتری تولید می شود.

زیرا هسته ها در طول سنتز هسته ای بیگ بنگ به وجود آمده اند امروزه نیز قابل مشاهده استدانشمندان می توانند استنباط کنند که چه تعداد نوترینو و پادنوترینو در دوران اولیه کیهان وجود داشته است. آنها این کار را با نگاهی خاص به کهکشان هایی انجام می دهند که غنی از عناصر سبک مانند هیدروژن و هلیوم هستند.

نموداری که نشان می دهد چگونه پروتون ها و نوترون ها اتم های هلیوم را تشکیل می دهند. — در یک سری از برخوردهای ذرات پرانرژی، عناصری مانند هلیوم در کیهان اولیه تشکیل می شوند. در اینجا D مخفف دوتریوم، ایزوتوپ هیدروژن با یک پروتون و یک نوترون، و γ مخفف فوتون ها یا ذرات نور است. در مجموعه ای از واکنش های زنجیره ای نشان داده شده، پروتون ها و نوترون ها با هم ترکیب می شوند و دوتریوم را تشکیل می دهند، سپس این هسته های دوتریوم با هم ترکیب می شوند و هسته های هلیم را تشکیل می دهند. اعتبار تصویر: آن کاترین برنز

سرنخی در هلیوم

سال گذشته، همکاری سوبارو - گروهی از دانشمندان ژاپنی که روی تلسکوپ سوبارو کار می‌کنند - داده‌هایی را منتشر کردند. 10 کهکشان بسیار خارج از ما که تقریباً منحصراً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده اند.

استفاده از تکنیکی که به محققان اجازه می دهد عناصر مختلف را از یکدیگر متمایز کنند بر اساس طول موج نور دانشمندان سوبارو که در این تلسکوپ مشاهده کردند، دقیقاً مشخص کردند که چه مقدار هلیوم در هر یک از این 10 کهکشان وجود دارد. نکته مهم این است که آنها هلیوم کمتری نسبت به پیش بینی تئوری پذیرفته شده قبلی پیدا کردند.

با این نتیجه جدید، من و همکارانم به عقب کار کردیم تا آن را پیدا کنیم تعداد نوترینوها و پادنوترینوها برای تولید فراوانی هلیوم موجود در داده ها ضروری است. به کلاس ریاضی کلاس نهم خود فکر کنید، زمانی که از شما خواسته شد X را در یک معادله حل کنید. کاری که تیم من انجام داد اساساً نسخه پیچیده‌تر آن بود، جایی که "X" ما تعداد نوترینوها یا پادنوترینوها بود.

تئوری پذیرفته شده قبلی پیش‌بینی می‌کرد که باید تعداد نوترینوها و پادنوترینوها در جهان اولیه یکسان باشد. با این حال، زمانی که این نظریه را بهینه کردیم تا پیش‌بینی‌ای ارائه کنیم که با مجموعه داده‌های جدید مطابقت دارد، ما متوجه شدیم که تعداد نوترینوها بیشتر از تعداد پادنوترینوها بود.

چه آن را همه چیست؟

این تجزیه و تحلیل داده‌های جدید کهکشانی غنی از هلیوم پیامدهای گسترده‌ای دارد - می‌توان از آن برای توضیح عدم تقارن بین ماده و پادماده استفاده کرد. داده های سوبارو ما را مستقیماً به منبعی برای این عدم تعادل نشان می دهد: نوترینوها. در این مطالعه، من و همکارانم ثابت کردیم که این اندازه‌گیری جدید هلیم با وجود تعداد نوترینوهای بیشتر از پادنوترینوها در جهان اولیه مطابقت دارد. از طریق فرآیندهای شناخته شده و احتمالی فیزیک ذرات، عدم تقارن در نوترینوها می تواند به عدم تقارن در همه مواد منتشر شود.

نتیجه مطالعه ما یک نوع نتیجه رایج در دنیای فیزیک نظری است. اساساً، ما یک روش قابل دوام کشف کردیم که در آن عدم تقارن ماده-ضد ماده می‌توانست تولید شود، اما این بدان معنا نیست که قطعاً به این روش تولید شده است. این واقعیت که داده‌ها با نظریه ما مطابقت دارند، اشاره‌ای به این است که نظریه‌ای که ما ارائه کرده‌ایم ممکن است درست باشد، اما این واقعیت به تنهایی به این معنا نیست که چنین است.

بنابراین، آیا این نوترینوهای کوچک کلید پاسخگویی به این سوال قدیمی هستند که "چرا چیزی وجود دارد؟" طبق این تحقیقات جدید، آنها ممکن است باشند.

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.

تصویر های اعتباری: ناسا