Đo lường Helium trong các thiên hà xa xôi có thể giúp các nhà vật lý hiểu rõ hơn về lý do tại sao vũ trụ tồn tại

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Khi các nhà vật lý lý thuyết như tôi nói rằng chúng tôi đang nghiên cứu lý do tại sao vũ trụ tồn tại, chúng tôi nghe giống như các nhà triết học. Nhưng dữ liệu mới được thu thập bởi các nhà nghiên cứu sử dụng của Nhật Bản kính viễn vọng Subaru đã tiết lộ những hiểu biết sâu sắc về chính câu hỏi đó.

Các vụ nổ lớn khởi động vũ trụ như chúng ta biết cách đây 13.8 tỷ năm. Nhiều giả thuyết trong vật lý hạt gợi ý rằng đối với tất cả vật chất được tạo ra khi hình thành vũ trụ, một lượng phản vật chất tương đương lẽ ra phải được tạo ra cùng với nó. Phản vật chất, giống như vật chất, có khối lượng và chiếm không gian. Tuy nhiên, các hạt phản vật chất thể hiện các tính chất ngược lại với các hạt vật chất tương ứng của chúng.

Khi các mảnh vật chất và phản vật chất va chạm với nhau, chúng tiêu diệt lẫn nhau trong một vụ nổ mạnh mẽ, chỉ để lại năng lượng. Điều khó hiểu về các lý thuyết dự đoán sự tạo ra sự cân bằng ngang nhau giữa vật chất và phản vật chất là nếu chúng đúng, cả hai sẽ triệt tiêu lẫn nhau, để lại vũ trụ trống rỗng. Vì vậy, phải có nhiều vật chất hơn phản vật chất khi vũ trụ ra đời, bởi vì vũ trụ không trống rỗng; nó chứa đầy những thứ cấu tạo từ vật chất, như thiên hà, ngôi sao và hành tinh. Một chút phản vật chất tồn tại xung quanh chúng ta, nhưng nó rất hiếm.

Là một nhà vật lý làm việc trên dữ liệu Subaru, tôi quan tâm đến cái gọi là vấn đề bất đối xứng vật chất-phản vật chất. Trong nghiên cứu gần đây, các cộng tác viên của tôi và tôi nhận thấy rằng phép đo mới của kính viễn vọng về lượng và loại helium trong các thiên hà xa xôi có thể đưa ra lời giải cho bí ẩn lâu đời này.

Sau vụ nổ lớn

Trong một phần nghìn giây đầu tiên sau Vụ nổ lớn, vũ trụ nóng, đặc và chứa đầy các hạt cơ bản như proton, neutron và electron bơi xung quanh trong plasma. Cũng có mặt trong nhóm các hạt này là neutrino, là những hạt rất nhỏ, tương tác yếu, và phản neutrino, bản sao phản vật chất của chúng.

Các nhà vật lý tin rằng chỉ một giây sau vụ nổ Big Bang, các hạt nhân ánh sáng các nguyên tố như hydro và heli bắt đầu hình thành. Quá trình này được gọi là tổng hợp hạt nhân Big Bang. Hạt nhân được tạo thành khoảng 75% hạt nhân hydro và 24% hạt nhân heli, cộng với một lượng nhỏ hạt nhân nặng hơn.

cộng đồng vật lý lý thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất về sự hình thành của những hạt nhân này cho chúng ta biết rằng neutrino và phản neutrino đóng vai trò cơ bản trong việc tạo ra hạt nhân helium, đặc biệt.

Quá trình tạo ra helium trong vũ trụ sơ khai diễn ra theo một quy trình gồm hai bước. Đầu tiên, neutron và proton chuyển đổi từ cái này sang cái khác trong một hàng loạt quy trình liên quan đến neutrino và phản neutrino. Khi vũ trụ nguội đi, các quá trình này dừng lại và tỷ lệ proton so với neutron đã được thiết lập.

Là nhà vật lý lý thuyết, chúng ta có thể tạo ra các mô hình để kiểm tra xem tỷ lệ proton trên neutron phụ thuộc như thế nào vào số lượng tương đối của neutrino và phản neutrino trong vũ trụ sơ khai. Nếu như nhiều neutrino đã có mặt, thì các mô hình của chúng tôi cho thấy nhiều proton hơn và kết quả là sẽ tồn tại ít neutron hơn.

Khi vũ trụ nguội đi, hydro, heli và các nguyên tố khác hình thành từ các proton và neutron này. Helium được tạo thành từ hai proton và hai neutron, và hydro chỉ là một proton và không có neutron. Vì vậy, càng ít neutron có sẵn trong vũ trụ sơ khai thì càng ít heli được tạo ra.

Bởi vì các hạt nhân hình thành trong quá trình tổng hợp hạt nhân Big Bang vẫn có thể được quan sát ngày hôm nay, các nhà khoa học có thể suy ra có bao nhiêu neutrino và phản neutrino có mặt trong vũ trụ sơ khai. Họ làm điều này bằng cách đặc biệt quan sát các thiên hà giàu nguyên tố nhẹ như hydro và heli.

Một sơ đồ cho thấy các proton và neutron hình thành các nguyên tử helium như thế nào. — Trong một loạt các vụ va chạm hạt năng lượng cao, các nguyên tố như heli được hình thành trong vũ trụ sơ khai. Ở đây, D là viết tắt của deuterium, một đồng vị của hydro với một proton và một neutron, và γ là viết tắt của photon, hoặc các hạt ánh sáng. Trong chuỗi phản ứng dây chuyền được minh họa, proton và neutron hợp nhất để tạo thành đơteri, sau đó các hạt nhân đơteri này hợp nhất để tạo thành hạt nhân helium. Tín dụng hình ảnh: Anne-Katherine Burns

Một đầu mối trong Helium

Năm ngoái, Subaru Collaboration—một nhóm các nhà khoa học Nhật Bản làm việc trên kính viễn vọng Subaru—đã công bố dữ liệu về 10 thiên hà xa bên ngoài của chúng ta hầu như chỉ được tạo thành từ hydro và helium.

Sử dụng một kỹ thuật cho phép các nhà nghiên cứu phân biệt các yếu tố khác nhau với nhau dựa trên bước sóng của ánh sáng được quan sát trong kính viễn vọng, các nhà khoa học Subaru đã xác định chính xác lượng helium tồn tại trong mỗi thiên hà trong số 10 thiên hà này. Điều quan trọng là họ đã tìm thấy ít heli hơn so với lý thuyết đã được chấp nhận trước đó đã dự đoán.

Với kết quả mới này, các cộng tác viên của tôi và tôi đã làm việc ngược lại để tìm ra số neutrino và phản neutrino cần thiết để tạo ra lượng helium phong phú được tìm thấy trong dữ liệu. Hãy nhớ lại lớp toán lớp chín của bạn khi bạn được yêu cầu giải “X” trong một phương trình. Những gì nhóm của tôi đã làm về cơ bản là phiên bản phức tạp hơn của điều đó, trong đó “X” của chúng tôi là số lượng neutrino hoặc phản neutrino.

Lý thuyết đã được chấp nhận trước đó tiên đoán rằng phải có cùng số lượng neutrino và phản neutrino trong vũ trụ sơ khai. Tuy nhiên, khi chúng tôi điều chỉnh lý thuyết này để đưa ra dự đoán phù hợp với tập dữ liệu mới, chúng tôi thấy rằng số lượng neutrino lớn hơn số lượng phản neutrino.

Tất cả nó có nghĩa gì?

Phân tích dữ liệu thiên hà giàu heli mới này có một hệ quả sâu rộng—nó có thể được sử dụng để giải thích sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất. Dữ liệu của Subaru chỉ thẳng cho chúng ta nguồn gây ra sự mất cân bằng đó: neutrino. Trong nghiên cứu này, tôi và các cộng sự đã chứng minh rằng phép đo helium mới này phù hợp với việc có nhiều neutrino hơn phản neutrino trong vũ trụ sơ khai. Bởi vì các quá trình vật lý hạt đã biết và có khả năng xảy ra, sự bất đối xứng trong neutrino có thể lan truyền thành sự bất đối xứng trong mọi vật chất.

Kết quả nghiên cứu của chúng tôi là một loại kết quả phổ biến trong thế giới vật lý lý thuyết. Về cơ bản, chúng tôi đã phát hiện ra một cách khả thi trong đó sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất có thể được tạo ra, nhưng điều đó không có nghĩa là nó chắc chắn được tạo ra theo cách đó. Thực tế là dữ liệu phù hợp với lý thuyết của chúng tôi là một gợi ý rằng lý thuyết mà chúng tôi đề xuất có thể đúng, nhưng thực tế này không có nghĩa là nó đúng.

Vì vậy, những hạt neutrino nhỏ bé này có phải là chìa khóa để trả lời câu hỏi muôn thuở, "Tại sao mọi thứ tồn tại?" Theo nghiên cứu mới này, họ chỉ có thể.

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Ảnh: NASA