Measuring Helium In Distant Galaxies May Give Physicists Insight Into Why The Universe Exists

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

เมื่อนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีอย่างตัวฉันเองบอกว่า เรากำลังศึกษาว่าทำไมจักรวาลถึงมีอยู่จริง เราก็ดูเหมือนนักปรัชญาเลย แต่ข้อมูลใหม่ที่รวบรวมโดยนักวิจัยใช้ของญี่ปุ่น กล้องโทรทรรศน์ซูบารุ ได้เปิดเผยข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคำถามนั้นเอง

บิ๊กแบง ได้เริ่มต้นจักรวาล อย่างที่เรารู้เมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน ทฤษฎีมากมาย ในฟิสิกส์อนุภาคแนะนำว่าสำหรับสสารทั้งหมดที่สร้างขึ้นตามแนวคิดของจักรวาล ควรมีการสร้างปฏิสสารในปริมาณที่เท่ากันควบคู่ไปกับมัน ปฏิสสารก็เหมือนกับสสาร มีมวลและกินพื้นที่ อย่างไรก็ตาม อนุภาคปฏิสสารแสดงคุณสมบัติตรงกันข้ามกับอนุภาคของสสารที่สอดคล้องกัน

เมื่อชิ้นส่วนของสสารและปฏิสสารชนกัน ทำลายล้างกันด้วยการระเบิดอันทรงพลังโดยเหลือเพียงพลังงานไว้เบื้องหลัง สิ่งที่น่าสงสัยเกี่ยวกับทฤษฎีที่ทำนายการสร้างความสมดุลที่เท่าเทียมกันของสสารและปฏิสสารก็คือ หากเป็นจริง ทั้งสองคงจะทำลายล้างกันโดยสิ้นเชิง ปล่อยให้จักรวาลว่างเปล่า ดังนั้นจะต้องมีสสารมากกว่าปฏิสสารตั้งแต่กำเนิดจักรวาล เพราะจักรวาลไม่ได้ว่างเปล่า มันเต็มไปด้วยสิ่งที่ประกอบด้วยสสาร เช่น กาแล็กซี ดวงดาว และดาวเคราะห์ ปฏิสสารเล็กน้อย มีอยู่รอบตัวเราแต่หายากมาก

ในฐานะที่เป็น นักฟิสิกส์ที่ทำงานเกี่ยวกับข้อมูลซูบารุฉันสนใจสิ่งนี้ที่เรียกว่า ปัญหาความไม่สมดุลของสสาร-ปฏิสสาร. ในของเรา ผลการศึกษาล่าสุดผู้ร่วมงานของฉันและฉันพบว่าการวัดปริมาณและประเภทของฮีเลียมในกาแลคซีไกลโพ้นใหม่ของกล้องโทรทรรศน์อาจเสนอวิธีแก้ปัญหาสำหรับความลึกลับที่มีมายาวนานนี้

หลังบิ๊กแบง

ในช่วงมิลลิวินาทีแรกหลังบิ๊กแบง จักรวาลร้อน หนาแน่น และเต็มไปด้วยอนุภาคมูลฐาน เช่น โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ว่ายไปมาในพลาสมา. ยังปรากฏอยู่ในกลุ่มอนุภาคนี้อีกด้วย นิวตริโนซึ่งมีขนาดเล็กมากและมีอนุภาคที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบน้อย และแอนตินิวตริโนซึ่งเป็นคู่ปฏิสสารของพวกมัน

นักฟิสิกส์เชื่อว่าเพียงหนึ่งวินาทีหลังจากบิ๊กแบงซึ่งเป็นนิวเคลียสของแสง ธาตุเช่นไฮโดรเจน และฮีเลียมก็เริ่มก่อตัว กระบวนการนี้เรียกว่า Big Bang nucleosynthesis. นิวเคลียสที่เกิดขึ้นมีประมาณ นิวเคลียสไฮโดรเจน 75 เปอร์เซ็นต์ และนิวเคลียสฮีเลียม 24 เปอร์เซ็นต์บวกกับนิวเคลียสที่หนักกว่าจำนวนเล็กน้อย

ชุมชนฟิสิกส์ ทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุด on the formation of these nuclei tells us that neutrinos and antineutrinos played a fundamental role in the creation of helium nuclei, in particular.

การสร้างฮีเลียมในเอกภพยุคแรกเกิดขึ้นในกระบวนการสองขั้นตอน ประการแรก นิวตรอนและโปรตอนถูกแปลงจากสิ่งหนึ่งไปยังอีกสิ่งหนึ่งใน a ชุดของกระบวนการ เกี่ยวข้องกับนิวตริโนและแอนตินิวตริโน เมื่อจักรวาลเย็นลง กระบวนการเหล่านี้ก็หยุดลงและ ตั้งอัตราส่วนของโปรตอนต่อนิวตรอนไว้.

ในฐานะนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี เราสามารถสร้างแบบจำลองเพื่อทดสอบว่าอัตราส่วนของโปรตอนต่อนิวตรอนขึ้นอยู่กับจำนวนสัมพัทธ์ของนิวตริโนและแอนตินิวตริโนในเอกภพยุคแรกๆ อย่างไร ถ้า มีนิวตริโนมากขึ้นจากนั้นแบบจำลองของเราจะแสดงโปรตอนมากขึ้นและจะมีนิวตรอนน้อยลง

ขณะที่จักรวาลเย็นลง ไฮโดรเจน ฮีเลียม และองค์ประกอบอื่นๆ เกิดจากโปรตอนและนิวตรอนเหล่านี้. ฮีเลียมประกอบด้วยโปรตอน XNUMX ตัวและนิวตรอน XNUMX ตัว ไฮโดรเจนเป็นเพียงโปรตอน XNUMX ตัวและไม่มีนิวตรอน ดังนั้นยิ่งมีนิวตรอนในเอกภพยุคแรกเริ่มน้อยลงเท่าไร ฮีเลียมก็จะยิ่งผลิตน้อยลงเท่านั้น

Because the nuclei formed during Big Bang nucleosynthesis ทุกวันนี้ก็ยังสังเกตได้อยู่นักวิทยาศาสตร์สามารถอนุมานได้ว่ามีนิวตริโนและแอนตินิวตริโนจำนวนเท่าใดในเอกภพยุคแรกๆ พวกมันทำสิ่งนี้โดยดูเฉพาะกาแลคซีที่อุดมไปด้วยธาตุแสง เช่น ไฮโดรเจนและฮีเลียม

แผนภาพแสดงให้เห็นว่าโปรตอนและนิวตรอนก่อตัวเป็นอะตอมฮีเลียมได้อย่างไร — ในการชนกันของอนุภาคพลังงานสูงอย่างต่อเนื่อง ธาตุอย่างฮีเลียมจะก่อตัวขึ้นในเอกภพยุคแรกเริ่ม ในที่นี้ D หมายถึงดิวทีเรียม ซึ่งเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจนที่มีโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนหนึ่งตัว และ γ หมายถึงโฟตอนหรืออนุภาคแสง ในชุดของปฏิกิริยาลูกโซ่ที่แสดงไว้ โปรตอนและนิวตรอนหลอมรวมเป็นดิวเทอเรียม จากนั้นนิวเคลียสดิวทีเรียมเหล่านี้จะหลอมรวมเป็นนิวเคลียสฮีเลียม เครดิตรูปภาพ: แอนน์-แคทเธอรีน เบิร์นส์

เบาะแสในฮีเลียม

เมื่อปีที่แล้ว Subaru Collaboration ซึ่งเป็นกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นที่ทำงานเกี่ยวกับกล้องโทรทรรศน์ Subaru ได้เผยแพร่ข้อมูลเกี่ยวกับ 10 กาแล็กซี่ ห่างไกลจากของเราเองที่เกือบทั้งหมดประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียม

การใช้เทคนิคที่ช่วยให้นักวิจัยสามารถแยกแยะองค์ประกอบต่างๆ ออกจากกันได้ ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสง จากการสังเกตการณ์ในกล้องโทรทรรศน์ นักวิทยาศาสตร์ของซูบารุได้ระบุจำนวนฮีเลียมที่มีอยู่ในแต่ละกาแลคซีทั้ง 10 แห่งได้อย่างแน่ชัด ที่สำคัญพวกเขาพบฮีเลียมน้อยกว่าทฤษฎีที่ยอมรับกันก่อนหน้านี้ที่คาดการณ์ไว้

ด้วยผลลัพธ์ใหม่นี้ ฉันและผู้ร่วมงานจึงทำงานย้อนหลังเพื่อค้นหา จำนวนนิวตริโนและแอนตินิวตริโน จำเป็นต่อการผลิตฮีเลียมปริมาณมากที่พบในข้อมูล ลองนึกย้อนกลับไปถึงชั้นเรียนคณิตศาสตร์ชั้นประถมศึกษาปีที่ XNUMX ของคุณเมื่อคุณถูกขอให้แก้หา "X" ในสมการ สิ่งที่ทีมของผมทำคือเวอร์ชันที่ซับซ้อนกว่านั้น โดยที่ "X" ของเราคือจำนวนนิวตริโนหรือแอนตินิวตริโน

ทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับก่อนหน้านี้ทำนายว่าควรมีนิวตริโนและแอนตินิวตริโนจำนวนเท่ากันในจักรวาลยุคแรกเริ่ม อย่างไรก็ตาม เมื่อเราปรับเปลี่ยนทฤษฎีนี้เพื่อให้คำทำนายที่ตรงกับชุดข้อมูลใหม่ เราพบว่า จำนวนนิวตริโนมากกว่าจำนวนแอนตินิวตริโน

มันไม่สิ่งที่ทุกคนหมายถึงอะไร?

การวิเคราะห์ข้อมูลกาแลคซีที่อุดมด้วยฮีเลียมใหม่นี้มีผลกระทบอย่างกว้างขวาง โดยสามารถใช้เพื่ออธิบายความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสารได้ ข้อมูลของซูบารุชี้เราโดยตรงไปยังแหล่งที่มาของความไม่สมดุลนั้น ซึ่งก็คือนิวตริโน ในการศึกษานี้ ฉันและผู้ร่วมงานได้พิสูจน์ว่าการวัดฮีเลียมใหม่นี้สอดคล้องกับการมีนิวตริโนมากกว่าแอนตินิวตริโนในเอกภพยุคแรกเริ่ม ผ่าน กระบวนการทางฟิสิกส์ของอนุภาคที่เป็นที่รู้จักและน่าจะเป็นไปได้ความไม่สมดุลในนิวทริโนสามารถแพร่กระจายไปสู่ความไม่สมดุลในทุกเรื่องได้

ผลการศึกษาของเราเป็นผลลัพธ์ทั่วไปในโลกฟิสิกส์เชิงทฤษฎี โดยพื้นฐานแล้ว เราได้ค้นพบวิธีการที่เป็นไปได้ซึ่งสามารถทำให้เกิดความไม่สมดุลของสสาร-ปฏิสสารได้ แต่นั่นไม่ได้หมายความว่ามันถูกสร้างขึ้นในลักษณะนั้นอย่างแน่นอน ความจริงที่ว่าข้อมูลสอดคล้องกับทฤษฎีของเราเป็นข้อบ่งชี้ว่าทฤษฎีที่เราเสนออาจเป็นทฤษฎีที่ถูกต้อง แต่ข้อเท็จจริงนี้เพียงอย่างเดียวไม่ได้หมายความว่าเป็นเช่นนั้น

นิวทริโนเล็กๆ เหล่านี้จะเป็นกุญแจสำคัญในการตอบคำถามเก่าๆ ที่ว่า "ทำไมจึงมีสิ่งใดอยู่จริง" จากการวิจัยครั้งใหม่นี้ พวกเขาอาจจะเป็นเช่นนั้น

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตภาพ: นาซา