Merjenje helija v oddaljenih galaksijah lahko fizikom da vpogled v to, zakaj vesolje obstaja

Merjenje helija v oddaljenih galaksijah lahko fizikom da vpogled v to, zakaj vesolje obstaja

Časovni žig: 27. julij 2023 10
Izvorno vozlišče: 2790391

Ko teoretični fiziki, kot sem jaz, pravijo, da preučujemo, zakaj obstaja vesolje, zvenimo kot filozofi. Toda novi podatki, ki so jih zbrali raziskovalci z uporabo japonskih Subaru teleskop je razkril vpogled v prav to vprašanje.

Veliki pok zagnala vesolje kot ga poznamo pred 13.8 milijardami let. Veliko teorij v fiziki delcev kažejo, da bi morala za vso snov, ustvarjeno ob spočetju vesolja, nastati enaka količina antimaterije. Antimaterija ima tako kot snov maso in zavzema prostor. Vendar pa imajo delci antimaterije nasprotne lastnosti svojih ustreznih delcev snovi.

Ko koščki materije in antimaterije trčijo, se uničiti drug drugega v močni eksploziji, za seboj pušča le energijo. Zagonetna stvar pri teorijah, ki napovedujejo ustvarjanje enakega ravnovesja snovi in ​​antimaterije, je, da če bi bile resnične, bi se popolnoma uničili, vesolje pa bi ostalo prazno. Torej je moralo biti ob rojstvu vesolja več snovi kot antimaterije, ker vesolje ni prazno; polna je stvari, ki so narejene iz snovi, kot so galaksije, zvezde in planeti. Malo antimaterije obstaja okoli nas, vendar je zelo redko.

Kot fizik, ki dela na Subarujevih podatkih, zanima me ta t.i problem asimetrije snov-antimaterija. V našem Nedavna študija, moji sodelavci in jaz smo ugotovili, da lahko nova teleskopska meritev količine in vrste helija v oddaljenih galaksijah ponudi rešitev te dolgoletne skrivnosti.

Po velikem poku

V prvih milisekundah po velikem poku je bilo vesolje vroče, gosto in polno osnovnih delcev, kot so protoni, nevtroni in elektroni. plavanje v plazmi. V tem bazenu delcev so bili prisotni tudi nevtrini, ki so zelo majhni delci s šibko interakcijo, in antinevtrini, njihovi dvojniki iz antimaterije.

Fiziki verjamejo, da le eno sekundo po velikem poku, jedra svetlobe elementov, kot je vodik in začel je nastajati helij. Ta postopek je znan kot Nukleosinteza velikega poka. Nastala jedra so bila približno 75 odstotkov vodikovih jeder in 24 odstotkov helijevih jeder, plus majhne količine težjih jeder.

Fizikalna skupnost najbolj splošno sprejeta teorija o nastanku teh jeder nam pove, da so nevtrini in antinevtrini igrali temeljno vlogo zlasti pri nastanku helijevih jeder.

Nastanek helija v zgodnjem vesolju je potekal v dveh korakih. Najprej se nevtroni in protoni pretvorijo iz enega v drugega v a niz procesov ki vključuje nevtrine in antinevtrine. Ko se je vesolje ohladilo, so se ti procesi ustavili in Nastavljeno je bilo razmerje med protoni in nevtroni.

Kot teoretični fiziki lahko ustvarimo modele za testiranje, kako je razmerje med protoni in nevtroni odvisno od relativnega števila nevtrinov in antinevtrinov v zgodnjem vesolju. če prisotnih je bilo več nevtrinov, potem naši modeli kažejo več protonov in posledično bi obstajalo manj nevtronov.

Ko se je vesolje ohlajalo, vodik, helij in drugi elementi ki nastanejo iz teh protonov in nevtronov. Helij je sestavljen iz dveh protonov in dveh nevtronov, vodik pa je samo en proton in nobenih nevtronov. Torej manj kot je nevtronov na voljo v zgodnjem vesolju, manj helija bi bilo proizvedeno.

Ker so jedra nastala med nukleosintezo velikega poka lahko opazujemo še danes, lahko znanstveniki sklepajo, koliko nevtrinov in antinevtrinov je bilo prisotnih v zgodnjem vesolju. To naredijo tako, da pogledajo posebej galaksije, ki so bogate z lahkimi elementi, kot sta vodik in helij.

Diagram, ki prikazuje, kako protoni in nevtroni tvorijo atome helija.
V nizu trkov visokoenergijskih delcev se v zgodnjem vesolju oblikujejo elementi, kot je helij. Tukaj D pomeni devterij, izotop vodika z enim protonom in enim nevtronom, γ pa fotone ali svetlobne delce. V seriji prikazanih verižnih reakcij se protoni in nevtroni zlijejo v devterij, nato pa se ta jedra devterija zlijejo v helijeva jedra. Avtorstvo slike: Anne-Katherine Burns

Namig v heliju

Lansko leto je Subaru Collaboration – skupina japonskih znanstvenikov, ki se ukvarjajo s teleskopom Subaru – objavila podatke o 10 galaksij daleč zunaj našega lastnega, ki so skoraj izključno sestavljeni iz vodika in helija.

Uporaba tehnike, ki raziskovalcem omogoča razlikovanje različnih elementov med seboj na podlagi valovnih dolžin svetlobe Ko so opazovali v teleskopu, so Subarujevi znanstveniki natančno določili, koliko helija obstaja v vsaki od teh 10 galaksij. Pomembno je, da so našli manj helija, kot je predvidevala prej sprejeta teorija.

S tem novim rezultatom smo s sodelavci delali nazaj, da bi našli število nevtrinov in antinevtrinov potrebno za proizvodnjo številčnosti helija, ugotovljene v podatkih. Pomislite na uro matematike v devetem razredu, ko so vas prosili, da rešite "X" v enačbi. Moja ekipa je v bistvu naredila bolj sofisticirano različico tega, kjer je bil naš "X" število nevtrinov ali antinevtrinov.

Prej sprejeta teorija je predvidevala, da bi moralo biti v zgodnjem vesolju enako število nevtrinov in antinevtrinov. Vendar, ko smo prilagodili to teorijo, da bi dobili napoved, ki se ujema z novim naborom podatkov, to smo ugotovili število nevtrinov je bilo večje od števila antinevtrinov.

Kaj vse to pomeni?

Ta analiza novih podatkov o galaksijah, bogatih s helijem, ima daljnosežne posledice - lahko se uporabi za razlago asimetrije med snovjo in antimaterijo. Subarujevi podatki nas usmerijo neposredno na vir tega neravnovesja: nevtrine. V tej študiji smo s sodelavci dokazali, da je ta nova meritev helija skladna s tem, da je bilo v zgodnjem vesolju več nevtrinov kot antinevtrinov. Skozi znani in verjetni procesi fizike delcev, bi se lahko asimetrija v nevtrinih razširila v asimetrijo v vsej materiji.

Rezultat naše študije je običajna vrsta rezultatov v svetu teoretične fizike. V bistvu smo odkrili izvedljiv način, na katerega bi lahko nastala asimetrija snov-antimaterija, vendar to ne pomeni, da je bila zagotovo proizvedena na ta način. Dejstvo, da se podatki ujemajo z našo teorijo, je namig, da je teorija, ki smo jo predlagali, morda pravilna, vendar samo to dejstvo ne pomeni, da je.

Torej, ali so ti majhni majhni nevtrini ključ do odgovora na prastaro vprašanje: "Zakaj karkoli obstaja?" Glede na to novo raziskavo bi lahko le bili.Pogovor

Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.

Kreditno slike: NASA

Časovni žig:

Več od Središče singularnosti