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宇宙早期宇称是否守恒?利用星系角动量来检验

  • 于浩然
  • 发布时间:2020-05-05 15:27:00
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自然界曾被认为是简单、对称的。1956年,李政道与杨振宁提出弱相互作用中的宇称不守恒,并获得诺贝尔物理学奖。既然对称性在微观尺度被完全破坏,那么在宏观的宇宙呢?宇宙早期微观尺度的对称性破缺(parity violation)会不会在今天的天体物理尺度上留下可观测的印记?

为了解答这些令人好奇的问题,我们试图通过宇宙大尺度结构来重构宇宙早期可能出现的对称性破缺,如手性(chirality)不对称、螺旋性(helicity)不对称。宇宙大尺度结构是我们观测到的星系在宇宙空间中的三维分布。星系在空间的数密度对应宇宙早期的原初密度扰动。然而,为测量不对称性,我们需要一定的自由度。密度场是标量场,其唯一的自由度不足以携带任何手性和螺旋特征。幸运的是,我们观测到的数百万个星系不仅有位置分布,还有角动量。这些星系的角动量场是矢量场,有三个自由度,携带了额外的大尺度结构及早期宇宙的信息。因此我们可以通过观测星系角动量来研究宇宙早期的结构和不对称性。

如何观测星系角动量 —— (a):通过观测盘星系(薄盘近似)在天空的投影椭圆可以推测出星系旋转的角动量方向的四种可能性。为消除这四种角动量方向的简并,我们还需要观测旋涡星系的旋涡“缠绕”方向,分别为“S”型或“Z”型,以及星系盘的颜色梯度,如图(a)所示。绝大多数星系向旋臂“凸”的方向旋转,且在远离观测者的方向呈现更多的尘埃消光(颜色偏红)。另外,谱线的Doppler效应也可以测量星系的旋转方向。图(a)橙色箭头表示了星系的角动量方向,红色/绿色箭头表示沿视线平行/垂直方向的角动量方向。

三维矢量场如何携带螺旋特征 —— 螺旋性是矢量场与其自身的旋度的平行性的性质。若矢量场反平行于其旋度,或二者的内积为负,则称左旋,反之为右旋(DNA双螺旋

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