Sna céimeanna is luaithe den Cruinne te, dlúth, atá ag leathnú, cruthaíodh sléacht iomlán cáithníní agus frith-chomhábhar. De réir mar a leathnaíonn agus a fhuaraíonn an Cruinne, tarlaíonn méid éabhlóide dochreidte, ach fanfaidh na neodrónna a cruthaíodh go luath gan athrú ó 1 soicind tar éis an Bang Mór go dtí an lá inniu. (LEABHARLANN NÁISIÚNTA BROOKHAVEN)

An Comhartha is luaithe riamh: Aimsíonn eolaithe Neutrinos Relic Ó 1 Soicind Tar éis an Bang Mór

Sula ndearna muid réaltaí, adaimh, eilimintí, nó fiú fáil réidh lenár n-antamatter, rinne an Big Bang neodrónna. Agus fuair muid iad.

Tá smaoineamh an Big Bang tar éis samhlaíocht an chine dhaonna a ghabháil ó moladh é den chéad uair. Má tá an Cruinne ag leathnú inniu, ansin is féidir linn eachtarshuíomh ar ais, níos luaithe agus níos luaithe, go dtí nuair a bhí sé níos lú, níos óige, níos dlúithe agus níos teo. D’fhéadfá dul ar ais chomh fada agus is féidir leat a shamhlú: roimh dhaoine, roimh na réaltaí, sula raibh adaimh neodracha ann fiú. Ag na hamanna is luaithe ar fad, dhéanfá na cáithníní agus na frith-chomhábhair go léir, lena n-áirítear na cinn bhunúsacha nach féidir linn a chruthú ag ár bhfuinneamh íseal inniu.

Dá mbeadh sé seo fíor, bheadh ​​comhartha luath fágtha ón am nach raibh na Cruinne ach an dara sean: neutrinos agus antineutrinos. Ar a dtugtar an cúlra cosmr neutrino (CNB), rinneadh é a theoiriciú glúnta ó shin, ach briseadh as a phost é mar rud nach féidir a thomhas. Go dtí seo. Tá foireann eolaithe an-chliste díreach tar éis bealach a fháil chun é a fheiceáil. Tá na sonraí istigh, agus tá na torthaí do-ghlactha: tá an cúlra cosmaí neutrino fíor, agus aontaíonn sé leis an mBang Mór.

Moladh an neutrino den chéad uair i 1930, ach níor aimsíodh é go dtí 1956, ó imoibreoirí núicléacha. Sna blianta agus na blianta ó shin, aimsíomar neodrinos ón nGrian, ó ghhathanna cosmacha, agus fiú ó supernovae. Anseo, feicimid tógáil an umair a úsáideadh sa turgnamh gréine neutrino i mianach óir Homestake ó na 1960idí. (LEABHARLANN NÁISIÚNTA BROOKHAVEN)

Tá neodrinos ar chuid de na cáithníní is iontaí agus is dícheallaí sa Cruinne. Bhíothas ag tuar go ndéanfadh siad lobhadh radaighníomhach a mhíniú; ciallaíonn a n-ainm “ceann beag bídeach neodrach” chun a mhíniú go gcaithfidh siad fuinneamh agus móiminteam a iompar, ach nach féidir leo a bheith i gceannas agus go gcaithfidh siad a bheith thar a bheith íseal i mais. Ní go dtí gur fhorbair muid imoibreoirí núicléacha go raibh muid in ann a láithreacht a bhrath ar dtús, éacht nár cuireadh i gcrích go dtí 1956.

Ach tá neodrónna fíor, agus tá siad bunúsach, díreach mar atá leictreoin nó cairéil. Ní idirghníomhaíonn siad ach trí na fórsaí laga agus imtharraingthe, mar sin ní ghlacann siad solas ná ní scaoileann siad solas. Ag fuinneamh ard, cosúil leis na cinn a baineadh amach sna céimeanna is luaithe den Big Bang te, tá na hidirghníomhaíochtaí laga i bhfad níos láidre. Sin an áit ar féidir linn méideanna ollmhóra de neodrinos agus a gcomhghleacaithe frithmhéadair, antineutrinos, a chruthú.

Aon uair a imbhuaileann dhá cháithnín ag fuinneamh ard go leor, bíonn an deis acu péirí breise cáithníní-antiparticle, nó cáithníní nua a tháirgeadh de réir mar a cheadaíonn dlíthe na fisice chandamach. Tá E = mc² Einstein gan idirdhealú ar an mbealach seo. Go luath sa Cruinne, táirgtear líon ollmhór neodrós agus antineutrinos ar an mbealach seo sa chéad chodán den soicind den Cruinne, ach ní lobhadh siad ná níl siad éifeachtach ag cur as dóibh. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Aon uair a bhriseann cáithníní le chéile, is féidir leo péirí nua cáithníní / antiparticle a chruthú go spontáineach, fad is go mbeidh go leor fuinnimh i láthair. Nuair a dhéanaimid an clog ar an Cruinne a athchasadh go hamanna an-luath, bíonn go leor fuinnimh againn chun na cáithníní agus na frith-chomhábhair uile a bhfuil eolas againn orthu a chruthú: na cairéil, na leptóin agus na bosúin go léir is féidir a bheith ann. Nuair a fhuaraíonn an Cruinne, déanann cáithníní agus antiparticles díothú, lobhadh cáithníní éagobhsaí, agus ní bhíonn go leor fuinnimh agat a thuilleadh chun cáithníní nua a chruthú.

Fágann sé sin dúinn, níos déanaí, gan ach méid beag ábhar fágtha i gcomparáid leis an dabhach radaíochta atá fós ann. Ní as fótóin (cáithníní solais) amháin atá an radaíocht sin, áfach. Stopann na neodrinos agus na antineutrinos ag idirghníomhú nuair nach bhfuil an Cruinne ach an dara sean, agus ós rud é nach féidir leo lobhadh in aon rud, ba chóir dóibh fanacht go dtí an lá inniu.

Cuimsíonn stair amhairc na Cruinne atá ag leathnú an stát te, dlúth ar a dtugtar an Bang Mór agus fás agus foirmiú struchtúir ina dhiaidh sin. Fágann an tsraith iomlán sonraí, lena n-áirítear breathnóireacht ar na heilimintí solais agus cúlra na micreathonn cosmaí, nach bhfuil ach an Bang Mór mar mhíniú bailí ar gach a fheicimid. Bhí an tuar ar chúlra cosmr neutrino ar cheann de na tuartha móra deiridh neamhdhearbhaithe Big Bang. (NASA / CXC / M. WEISS)

De réir mar a fhorbraíonn an Cruinne, tarlaíonn gach cineál rudaí suimiúla. Cruthaíonn na cairéil prótóin agus neodróin, a chomhleádh isteach sna chéad núicléis adamhacha, a imtharraingíonn le chéile, a fhoirmíonn adaimh neodracha, a chliseann agus a chnuasaíonn le chéile ina réaltaí agus ina réaltraí. Idir an dá linn, déanann na fótóin atá fágtha smideadh isteach sna cáithníní luchtaithe go léir leis na céadta mílte bliain, ag brú ar an ngnáthábhar agus ag brú, agus ansin sruthaíonn siad go saor tríd an spás a luaithe a fhoirmíonn na hadaimh neodracha. Tá an radaíocht atá fágtha fós ann inniu mar chúlra na micreathonn cosmaí (CMB).

Os a choinne sin, ní raibh na hidirghníomhaíochtaí sin riamh ag na neutrinos agus antineutrinos. Níor bhris siad isteach i gcáithníní luchtaithe. Rinne siad sruthlú go saor tríd na Cruinne ag luas an tsolais beagnach, agus ansin mhoilligh siad de réir mar a leathnaigh na Cruinne. Mar gheall ar a maiseanna bídeacha ach neamh-nialasacha, ba cheart go mbeadh siad ann fós, ag titim isteach i réaltraí agus i mbraislí réaltraí ag amanna déanacha.

Le himeacht aimsire, casfaidh idirghníomhaíochtaí imtharraingthe Cruinne aonfhoirmeach, dlús comhionann den chuid is mó ina Cruinne ina mbeidh tiúchan mór ábhair agus folúntais ollmhóra ag scaradh óna chéile. Iompraíonn neodrinos agus antineutrinos cosúil le radaíocht go luath sa Cruinne, ach go déanach, titfidh siad isteach i toibreacha imtharraingthe réaltraí agus braislí réaltraí, de réir mar a chailleann siad luas de bharr leathnú an spáis. (VOLKER SPRINGEL)

Teoiricíodh an cúlra cosmaideach neutrino (CNB) seo a bheith ann chomh fada agus a bhí an Bang Mór thart, ach níor braitheadh ​​go díreach riamh é. Toisc go bhfuil trasghearradh chomh beag sin ag neodrónna le cáithníní eile, de ghnáth ní mór dúinn iad a bheith ar fhuinneamh an-ard d’fhonn iad a fheiceáil. Ní fhreagraíonn an fuinneamh a thugtar do gach fuíoll neodrón ón mBang Mór ach 168 micrea-leictreon volta (μeV) inniu, agus tá na billiúin uair an oiread fuinnimh ag na neodrónna is féidir linn a thomhas. Teoiriciúil níl aon turgnaimh bheartaithe in ann iad a fheiceáil mura bhfuil roinnt fisice coimhthíocha ag imirt.

Ach tá dhá bhealach ann chun iad a fheiceáil go hindíreach: óna n-éifeachtaí ar an CMB agus ar struchtúr mórscála na Cruinne. Cuireadh na síolta don CMB agus don struchtúr mórscála a fheicimid inniu go luath, nuair a bhí na neodrinos níos fuinniúla agus níos tábhachtaí. Déanta na fírinne, nuair a astaíodh an CMB, bhí neutrinos ina chodán tábhachtach den fhuinneamh iomlán sa Cruinne!

An t-ábhar agus an t-ábhar fuinnimh sa Cruinne i láthair na huaire (ar chlé) agus ag amanna níos luaithe (ar dheis). Tabhair faoi deara an tionchar is mó atá ag ábhar dorcha agus fuinneamh dorcha sa lá atá inniu ann, ach tá an gnáthábhar sin thart fós. Go luath, bhí gnáthábhar agus ábhar dorcha tábhachtach fós, ach bhí fuinneamh dorcha neamhbhríoch, cé go raibh fótóin agus neodrinos tábhachtach. (NASA, MODIFIED BY WIKIMEDIA COMMONS USER 老陳, MODIFIED FURTHER BY E. SIEGEL)

Toisc go n-iompraíonn siad mar a dhéanann radaíocht go han-luath, réidhfidh siad síolta struchtúir ar mhórscála trí shruthlú amach as. Is féidir leat a shamhlú go bhfuil an Cruinne óg líonta le cnuasaigh bídeacha ábhair: réigiúin ródhona nach bhfuil iontu ach beagán níos mó mais ná an meán iontu. Murab ann don radaíocht, ní thosódh na cnapáin seo ag fás faoi thionchar domhantarraingthe. Mheallfadh réigiún ródhona níos mó mais, agus d’fhásfadh sé agus d’fhásfadh sé gan seiceáil, ar bhealach reatha.

Ach tá fuinneamh ag radaíocht freisin, agus bogann sí i gcónaí trí spás folamh ar luas an tsolais. De réir mar a fhásann do mhais-chnuasaigh, is fearr go sreabhann an radaíocht atá iontu, ag stopadh a bhfáis agus ag cur orthu crapadh arís. Sin é an fáth go bhfuil patrún áirithe beanna agus gleannta sa CMB agus i struchtúr mórscála na Cruinne.

Níl an glow fágtha ón mBang Mór, an CMB, aonfhoirmeach, ach tá neamhfhoirfeachtaí beaga bídeacha agus luaineachtaí teochta ar scála cúpla céad micrea-nicil. Cé go bhfuil ról mór aige seo ag amanna déanacha, tar éis fás imtharraingthe, tá sé tábhachtach a mheabhrú nach bhfuil an Cruinne luath, agus an Cruinne ar scála mór inniu, ach neamh-aonfhoirmeach ar leibhéal atá níos lú ná 0.01%. Tá Planck tar éis na luaineachtaí seo a bhrath agus a thomhas go beacht níos fearr ná riamh, agus féadann sé fiú éifeachtaí neodróis chosmaí ar an gcomhartha seo a nochtadh. (ESA AGUS AN CHLÁRÚ PLANCK)

Beidh tionchar ag na neodrónna seo, más fíor an cúlra cosmaideach neutrino (CNB), ar an CMB agus ar struchtúr mórscála na Cruinne.

Beidh na héifeachtaí ar an CMB caolchúiseach, ach intomhaiste. Déanfar patrún na mbuaic agus na ngleannta a shíneadh amach agus a aistriú go scálaí níos mó - cé go bhfuil siad beagáinín beag - trí láithreacht neodróis. Maidir leis an méid is féidir a thabhairt faoi deara, aistreofar céimeanna na mbuaic agus na ngleannta de mhéid intomhaiste atá ag brath ar líon na neodrós atá ann agus teocht (nó fuinneamh) na neodrós sin go luath.

Léaráid de phatrúin braislithe mar gheall ar ascalaithe fuaimiúla baryon, nuair a rialaítear an dóchúlacht go bhfaighidh tú réaltra ag achar áirithe ó aon réaltra eile leis an ngaol idir ábhar dorcha, gnáthábhar agus gach cineál radaíochta, lena n-áirítear neodrónna. De réir mar a leathnaíonn an Cruinne, leathnaíonn an fad tréith seo freisin, rud a ligeann dúinn tairiseach Hubble, dlús an ábhair dhorcha, agus paraiméadair chosmeolaíochta eile a thomhas le himeacht ama. Caithfidh an struchtúr mórscála agus sonraí Planck aontú. (ZOSIA ROSTOMIAN)

Idir an dá linn, beidh na héifeachtaí ar an struchtúr mórscála caolchúiseach, ach intomhaiste go teoiriciúil freisin. Tá scálaí ann inniu ar mó an seans go bhfaighidh muid réaltra eile ná an meán (nó níos lú) go staitistiúil, ag brath ar cé chomh fada uainn atá muid ag féachaint ó réaltra áirithe agus cé mhéid atá na Cruinne leathnaithe.

Cé go bhfuil an éifeacht beag, beidh athrú ar an scála achair sin agus cruth áirithe an chuar de bharr na neodrós, a shíneann amach go faid atá beagán níos mó, chun tosaigh ar an gcuid eile den ábhar. Tá na hathruithe seo ag brath ar an méid neodrinos atá ann, cad é a bhfuinneamh, agus ar an gcaoi a n-iompraíonn siad go luath sa Cruinne. B’fhéidir nach féidir an CNB a bhrath go díreach inniu, ach ba cheart go mbeifí in ann a éifeachtaí indíreacha ar dhá bhreathnóireacht - an CMB agus struchtúr mórscála na Cruinne - a bhrath fiú anois.

Tá beanna agus gleannta le feiceáil, mar fheidhm ar scála uilleach (x-ais), i speictrim teochta agus polaraithe éagsúla sa chúlra micreathonn cosmaí. Tá an graf áirithe seo, a thaispeántar anseo, thar a bheith íogair maidir le líon na neodrós a bhí i láthair go luath sa Cruinne, agus freagraíonn sé don phictiúr caighdeánach Big Bang de thrí speiceas neodrónón éadrom. (BRENT FOLLIN, LLOYD KNOX, MARIUS MILLEA, AGUS ZHEN PAN (2015) PHYS. REV. LETT. 115, 091301)

Rud iontach go leor, braitheadh ​​éifeachtaí na neodrinos luath, iarsmaí seo sa CMB siar in 2015, agus bhí siad comhsheasmhach leis go raibh trí speiceas de neodrón éadrom ann, atá comhsheasmhach leis an speiceas leictreon, muon agus tau a d'aimsigh muid go díreach inniu. Trí bhreathnú ar na sonraí polaraithe ó shatailít Planck, mar a fógraíodh ag cruinniú AAS 2016, bhí an fhoireann in ann fuinneamh an CNB a chinneadh: 169 μeV, le neamhchinnteacht ± 2 μeV.

Deimhniú iontach a bhí ann ar thuar an Big Bang don CNB, ach bhí gach duine fós ag fanacht leis na sonraí ón struchtúr mórscála.

Mura mbeadh aon ascalaithe ann mar gheall ar ábhar a bhí ag idirghníomhú le radaíocht sa Cruinne, ní bheadh ​​aon wiggles ag brath ar scála le feiceáil i mbraisliú réaltraí. Tá na wiggles féin, a thaispeántar leis an gcuid neamh-wiggly dhealú amach (bun), ag brath ar thionchar na neutrinos cosmaí theorized a bheith i láthair ag an Bang Mór. Freagraíonn cosmeolaíocht chaighdeánach Big Bang le β = 1. (D. BAUMANN ET AL. (2019), FISIC NÁDÚRTHA)

Tagann na tomhais is fearr atá againn ar an dóchúlacht go bhfaighidh tú réaltra in aice láimhe ag brath ar scálaí achair sa Cruinne ó shuirbhéanna réaltraí ollmhóra a chlúdaíonn réimsí radhairc leathan agus a shíneann go dtí athsheachadtaí agus achair an-mhór. Tugtar ascalaithe fuaimiúla baryon ar na gnéithe a fheicimid mar bheanna agus gleannta i dtéarmaí do chosúlachta go bhfaighidh tú réaltra ag achar áirithe, agus is ón Suirbhé Spéir Digiteach Sloan (SDSS) a thagann an tacar sonraí is fearr atá againn chun iad a thomhas.

Mar a tuairiscíodh in Nature an tseachtain seo (tá réamhphriontáil ó 2018 ar fáil anseo), tá an chéad tomhas láidir againn anois ar na hathruithe céime mar gheall ar neodrinos. Cé nach dtugann na torthaí cur i láthair iontach amhairc dóibh féin, is é an rud a chaithfidh a bheith ar eolas agat ná go bhfuil dhá pharaiméadar ann a athraíonn siad chun a fháil amach cé chomh maith agus atá a dtorthaí: α agus β. Maidir le tuartha an Bang Mór ar an CNB, ba cheart go mbeadh α agus β cothrom le 1, go díreach.

Nuair a chuirtear an fhaisnéis a bhaintear as braisliú réaltraí i bhfeidhm agus nuair a dhéantar anailís uirthi, is féidir linn srianta maithe a chur ar dhá pharaiméadar a shonraíonn éifeachtaí na neodrós ar chomhartha ascalaithe fuaimiúil baryon. Tá an Big Bang ag tuar gur chóir go mbeadh α agus β cothrom le 1. Ní fhreagródh aon neodrós do β = 0, a chuirtear as an áireamh. (D. BAUMANN ET AL. (2019), FISIC NÁDÚRTHA)

Mar a fheiceann tú, tá an srian ar α an-mhaith; níl an srian ar β chomh maith. Mar sin féin, tá sé maith go leor gur féidir linn β = 0 a chur as an áireamh, agus sin an rud a gheobhaimis mura mbeadh cúlra cosmaideach neutrino ann. Fiú amháin lenár gcéad torthaí dearfacha, is féidir linn a shuíomh gur braitheadh, den chéad uair, an cúlra cosmach neutrino i struchtúr mórscála na Cruinne. Tá comhartha láidir, a cruthaíodh díreach 1 soicind tar éis an Big Bang, le feiceáil agus le tomhas go cinntitheach.

Ní hé an chéad thomhas seo deireadh, ach tús, fiosrú an CNB. Cé go bhfuil pleananna ann feabhas a chur ar a bhfuil ar eolas ón CMB chomh fada agus a bhaineann le láithreacht neodrós a thomhas, tá struchtúr mórscála na Cruinne díreach ag tosú. Tá Teileascóip níos cumhachtaí, níos cumhachtaí, in ionad Suirbhé Spéir Dhigiteach Sloan sna deich mbliana amach romhainn, ag nochtadh codanna den Cruinne atá fós dofheicthe dúinn inniu.

Limistéar féachana Hubble (barr ar chlé) i gcomparáid leis an limistéar a mbeidh WFIRST in ann féachaint air, ag an doimhneacht chéanna, sa mhéid céanna ama. Ligfidh an radharc leathan ar WFIRST dúinn líon níos mó supernovae i bhfad i gcéin a ghabháil ná riamh, agus cuirfidh sé ar ár gcumas suirbhéanna domhain, leathan a dhéanamh ar réaltraí ar scálaí cosmaí nár promhadh riamh cheana. (NASA / GODDARD / WFIRST)

Tiocfaidh feabhas mór ar na torthaí seo go mór le suirbhéanna amach anseo a bheidh le déanamh le teileascóip agus réadlanna atá le teacht, lena n-áirítear DESI, Euclid, WFIRST agus an LSST. Freagraíonn an fuinneamh a bhí ag gach neodrón ag na hamanna luatha seo do theocht, inniu, de díreach 1.95 K, rud a fhágann go bhfuil sé níos fuaire fós ná an glow atá fágtha ón mBang Mór.

Anois go bhfuaireamar ní amháin an CNB, ach gur dheimhnigh muid go bhfuil sé ann, tá sé thar am gach rud is féidir a fhoghlaim. Ní raibh sé soiléir, fiú leis na sonraí go léir a bhailíomar go dtí seo, go mbeimis in ann an comhartha seo a aithint nuair a chuirtear suas í i gcoinne na bhfoinsí neamhchinnteachta eile go léir (cosúil le héabhlóid neamhlíneach), ach is léir go bhfuil an éifeacht ag taitneamh tríd . Níos tábhachtaí fós, is deimhniú iontach é ar an mBang Mór, a léiríonn arís gurb é an t-aon chluiche inmharthana ar an mbaile.

Tá Starts With A Bang ar Forbes anois, agus athfhoilsithe ar Meán a bhuíochas lenár lucht tacaíochta Patreon. Tá dhá leabhar ag Ethan, Beyond The Galaxy, agus Treknology: The Science of Star Trek ó Tricorders go Warp Drive.