Het meten van helium in verre sterrenstelsels kan natuurkundigen inzicht geven in waarom het heelal bestaat

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Als theoretisch natuurkundigen zoals ik zeggen dat we bestuderen waarom het universum bestaat, klinken we als filosofen. Maar nieuwe gegevens verzameld door onderzoekers die die van Japan gebruiken Subaru-telescoop heeft inzichten in diezelfde vraag onthuld.

The Big Bang zette het universum op gang zoals we die 13.8 miljard jaar geleden kennen. Veel theorieën in de deeltjesfysica suggereren dat voor alle materie die is gecreëerd bij de conceptie van het universum, er een gelijke hoeveelheid antimaterie naast zou moeten zijn gemaakt. Antimaterie heeft, net als materie, massa en neemt ruimte in beslag. Antimateriedeeltjes vertonen echter de tegenovergestelde eigenschappen van hun overeenkomstige materiedeeltjes.

Wanneer stukjes materie en antimaterie botsen, ontstaan ze vernietigen elkaar in een krachtige explosie, met achterlating van alleen energie. Het raadselachtige van theorieën die de creatie van een gelijke balans tussen materie en antimaterie voorspellen, is dat als ze waar waren, de twee elkaar volledig zouden hebben vernietigd, waardoor het universum leeg zou zijn. Er moet dus meer materie dan antimaterie zijn geweest bij de geboorte van het universum, want het universum is niet leeg; het zit vol met dingen die van materie zijn gemaakt, zoals sterrenstelsels, sterren en planeten. Een beetje antimaterie bestaat om ons heen, maar het is zeer zeldzaam.

Als natuurkundige die aan Subaru-gegevens werkt, Ik ben geïnteresseerd in deze zogenaamde materie-antimaterie asymmetrie probleem. In onze recente studie, ontdekten mijn medewerkers en ik dat de nieuwe meting door de telescoop van de hoeveelheid en het type helium in verre sterrenstelsels een oplossing kan bieden voor dit al lang bestaande mysterie.

Na de oerknal

In de eerste milliseconden na de oerknal was het universum heet, dicht en vol met elementaire deeltjes zoals protonen, neutronen en elektronen rondzwemmen in een plasma. Ook aanwezig in deze pool van deeltjes waren neutrino's, die zeer kleine, zwak op elkaar inwerkende deeltjes zijn, en antineutrino's, hun antimaterie-tegenhangers.

Natuurkundigen geloven dat slechts één seconde na de oerknal de kernen van licht zijn ontstaan elementen zoals waterstof en helium begon zich te vormen. Dit proces staat bekend als Big Bang nucleosynthese. De gevormde kernen waren ongeveer 75 procent waterstofkernen en 24 procent heliumkernen, plus kleine hoeveelheden zwaardere kernen.

Die van de natuurkundegemeenschap meest geaccepteerde theorie over de vorming van deze kernen vertelt ons dat neutrino's en antineutrino's een fundamentele rol speelden bij het ontstaan van met name heliumkernen.

De creatie van helium in het vroege universum gebeurde in een proces in twee stappen. Ten eerste worden neutronen en protonen van de een in de ander omgezet in a reeks processen met neutrino's en antineutrino's. Toen het universum afkoelde, stopten deze processen en de verhouding van protonen tot neutronen werd ingesteld.

Als theoretisch natuurkundigen kunnen we modellen maken om te testen hoe de verhouding tussen protonen en neutronen afhangt van het relatieve aantal neutrino's en antineutrino's in het vroege heelal. Als er waren meer neutrino's aanwezig, dan laten onze modellen meer protonen zien en zouden er daardoor minder neutronen zijn.

Terwijl het universum afkoelde, waterstof, helium en andere elementen gevormd uit deze protonen en neutronen. Helium bestaat uit twee protonen en twee neutronen, en waterstof is slechts één proton en geen neutronen. Dus hoe minder neutronen beschikbaar zijn in het vroege heelal, hoe minder helium er zou worden geproduceerd.

Omdat de kernen gevormd zijn tijdens de Big Bang-nucleosynthese kan vandaag de dag nog steeds worden waargenomen, kunnen wetenschappers afleiden hoeveel neutrino's en antineutrino's er tijdens het vroege heelal aanwezig waren. Dit doen ze door specifiek te kijken naar sterrenstelsels die rijk zijn aan lichte elementen zoals waterstof en helium.

Een diagram dat laat zien hoe protonen en neutronen heliumatomen vormen. — In een reeks botsingen met hoge energiedeeltjes worden elementen zoals helium gevormd in het vroege heelal. Hier staat D voor deuterium, een isotoop van waterstof met één proton en één neutron, en γ staat voor fotonen, oftewel lichtdeeltjes. In de getoonde reeks kettingreacties fuseren protonen en neutronen om deuterium te vormen, waarna deze deuteriumkernen fuseren om heliumkernen te vormen. Afbeelding tegoed: Anne-Katherine Burns

Een aanwijzing in helium

Vorig jaar heeft de Subaru Collaboration, een groep Japanse wetenschappers die aan de Subaru-telescoop werken, gegevens vrijgegeven over 10 sterrenstelsels ver buiten de onze die bijna uitsluitend uit waterstof en helium bestaan.

Een techniek gebruiken waarmee onderzoekers verschillende elementen van elkaar kunnen onderscheiden gebaseerd op de golflengten van het licht waargenomen in de telescoop, bepaalden de Subaru-wetenschappers precies hoeveel helium er in elk van deze 10 sterrenstelsels bestaat. Belangrijk is dat ze minder helium vonden dan de eerder aanvaarde theorie voorspelde.

Met dit nieuwe resultaat werkten mijn medewerkers en ik achteruit om de aantal neutrino's en antineutrino's nodig om de hoeveelheid helium te produceren die in de gegevens wordt gevonden. Denk eens terug aan je wiskundeles in de negende klas toen je werd gevraagd om op te lossen voor "X" in een vergelijking. Wat mijn team deed, was in wezen de meer geavanceerde versie daarvan, waarbij onze "X" het aantal neutrino's of antineutrino's was.

De eerder aanvaarde theorie voorspelde dat er in het vroege heelal hetzelfde aantal neutrino's en antineutrino's zou zijn. Toen we deze theorie echter aanpasten om ons een voorspelling te geven die overeenkwam met de nieuwe dataset, we hebben gevonden dat het aantal neutrino's was groter dan het aantal antineutrino's.

Wat betekent het allemaal?

Deze analyse van nieuwe gegevens van heliumrijke sterrenstelsels heeft verstrekkende gevolgen: het kan worden gebruikt om de asymmetrie tussen materie en antimaterie te verklaren. De gegevens van Subaru wijzen ons rechtstreeks naar een bron voor die onbalans: neutrino's. In deze studie hebben mijn medewerkers en ik bewezen dat deze nieuwe meting van helium consistent is met het feit dat er meer neutrino's dan antineutrino's zijn in het vroege universum. Door bekende en waarschijnlijke processen in de deeltjesfysica, zou de asymmetrie in de neutrino's zich kunnen voortplanten tot een asymmetrie in alle materie.

Het resultaat van onze studie is een veelvoorkomend type resultaat in de theoretische natuurkundige wereld. Kortom, we hebben een levensvatbare manier ontdekt waarop de materie-antimaterie-asymmetrie kan zijn geproduceerd, maar dat betekent niet dat het zeker op die manier is geproduceerd. Het feit dat de gegevens passen bij onze theorie is een aanwijzing dat de theorie die we hebben voorgesteld de juiste zou kunnen zijn, maar dit feit alleen betekent niet dat dat zo is.

Dus, zijn deze kleine neutrino's de sleutel tot het beantwoorden van de eeuwenoude vraag: "Waarom bestaat iets?" Volgens dit nieuwe onderzoek zijn ze dat misschien wel.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Krediet van het beeld: NASA