Et grunnleggende tall som påvirker fargen på lys som avgis av atomer så vel som alle kjemiske interaksjoner, har ikke endret seg på mer enn 7 milliarder år, ifølge observasjoner fra et team av astronomer som kartla utviklingen av galakser og universet.
Resultatene rapporteres i dag (mandag 18. april) på det årlige møtet i American Physical Society (APS) av astronomen Jeffrey Newman, en Hubble-stipendiat ved Lawrence Berkeley National Laboratory som representerer DEEP2, et samarbeid ledet av University of California, Berkeley , og UC Santa Cruz. Newman presenterer dataene og en oppdatering om DEEP2-prosjektet kl. EDT-pressekonferanse på Marriott Waterside Hotel i Tampa, Fla.
Den fine strukturkonstanten, en av en håndfull rene tall som inntar en sentral rolle i fysikken, dukker opp i nesten alle ligninger som involverer elektrisitet og magnetisme, inkludert de som beskriver utslipp av elektromagnetiske bølger - lys - fra atomer. Til tross for sin grunnleggende natur, har imidlertid noen teoretikere antydet at det endres subtilt etter hvert som universet eldes, noe som gjenspeiler en endring i tiltrekningen mellom atomkjernen og elektronene som surrer rundt den.
I løpet av de siste årene har en gruppe australske astronomer rapportert at konstanten har økt over universitetets levetid med omtrent en del av 100 000, basert på dens målinger av absorpsjon av lys fra fjerne kvasarer når lyset passerer gjennom galakser nærmere til oss. Andre astronomer har imidlertid ikke funnet noen slik endring ved bruk av samme teknikk.
De nye observasjonene fra undersøkelsesteamet DEEP2 bruker en mer direkte metode for å gi et uavhengig mål på konstanten, og viser ingen endring innen en del av 30 000.
"Den fine strukturkonstanten setter styrken til den elektromagnetiske kraften, som påvirker hvordan atomer holder sammen og energinivået i et atom. På et eller annet nivå hjelper det å sette omfanget av all vanlig materie som består av atomer, ”sa Newman. "Dette nullresultatet betyr at teoretikere ikke trenger å finne en forklaring på hvorfor det vil endre seg så mye."
Den fine strukturkonstanten, utpekt av den greske bokstaven alfa, er et forhold mellom andre ”konstanter” av naturen som i noen teorier kan endre seg over den kosmiske tiden. Tilsvarende kvadratet for ladningen til elektronet delt på hastigheten på lystidene Plancks konstante, alfa ville endre seg, ifølge en nyere teori, bare hvis lysets hastighet endret seg over tid. Noen teorier om mørk energi eller storslått forening, spesielt de som involverer mange ekstra dimensjoner utover de fire rom og tid vi er kjent med, spår en gradvis utvikling av finstrukturens konstante, sa Newman.
DEEP2 er en fem-årig undersøkelse av galakser på mer enn 7 til 8 milliarder lysår fjernt, hvis lys har blitt strukket ut eller rødskiftet til nesten doblet sin opprinnelige bølgelengde ved utvidelse av universet. Selv om samarbeidsprosjektet, støttet av National Science Foundation, ikke var designet for å lete etter variasjon i konstant finstruktur, ble det klart at en delmengde av de 40.000 galaksene som hittil ble observert, ville tjene dette formålet.
"I denne gigantiske undersøkelsen viser det seg at en liten brøkdel av dataene ser ut til å være perfekte for å svare på spørsmålet Jeff stiller," sier DEEP2-hovedetterforsker Marc Davis, professor i astronomi og fysikk ved UC Berkeley. "Denne undersøkelsen er virkelig et generelt formål og vil tjene en million bruksområder."
For flere år siden påpekte astronom John Bahcall fra Institute for Advanced Study at når jakten på variasjoner i den fine strukturkonstanten, måling av utslippslinjer fra fjerne galakser ville være mer direkte og mindre feilutsatt for å måle absorpsjonslinjer. Newman innså raskt at DEEP2-galakser som inneholder oksygenutslippslinjer var perfekt egnet til å gi et presist mål på enhver endring.
"Når de motstridende resultatene fra absorpsjonslinjer begynte å dukke opp, hadde jeg en ide om at siden vi har alle disse høye rødforskyvningsgalakser, kanskje vi kan gjøre noe ikke med absorpsjonslinjer, men med utslippslinjer i prøven vår," sa Newman. "Utslippslinjer ville være veldig litt forskjellige hvis finstrukturkonstanten endret seg."
DEEP2-dataene ga Newman og kollegene muligheten til å måle bølgelengden til utslippslinjer for ionisert oksygen (OIII, det vil si oksygen som har mistet to elektroner) til en presisjon som er bedre enn 0,01 Ångstrøm av 5 000 Ångstrøm. En angstrøm, omtrent bredden av et hydrogenatom, tilsvarer 10 nanometer.
"Dette er en presisjon som bare er overgått av folk som prøver å lete etter planeter," sa han og refererte til deteksjon av svake vugger i stjerner på grunn av at planetene trakk på stjernen.
DEEP2-teamet sammenlignet bølgelengdene til to OIII-utslippslinjer for 300 individuelle galakser på forskjellige avstander eller rødskift, alt fra en rødforskyvning på omtrent 0,4 (for omtrent 4 milliarder år siden) til 0,8 (for rundt 7 milliarder år siden). Den målte finkonstruksjonskonstanten var ikke forskjellig fra dagens verdi, som er omtrent 1/137. Det var heller ingen opp- eller nedadgående trend i verdien av alfa i løpet av denne tidsperioden på 4 milliarder.
"Vårt nullresultat er ikke den mest presise målingen, men en annen metode (ser på absorpsjonslinjer) som gir mer presise resultater innebærer systematiske feil som får forskjellige mennesker til å bruke metoden til å komme med forskjellige resultater," sa Newman.
Newman kunngjorde også på APS-møtet offentlig utgivelse av den første datasesongen (2002) fra DEEP2-undersøkelsen, som representerer 10 prosent av de 50 000 fjerne galakene teamet håper å kartlegge. DEEP2 bruker DEIMOS-spektrografen på Keck II-teleskopet på Hawaii for å registrere rødforskyvning, lysstyrke og fargespekter av disse fjerne galakser, først og fremst for å sammenligne galakseoppsamlinger enn mot nå. Undersøkelsen, nå mer enn 80 prosent fullført, bør fullføre observasjonene i sommer, med full datautgivelse innen 2007.
"Dette er virkelig et unikt datasett for å begrense både hvordan galakser har utviklet seg og hvordan universet har utviklet seg over tid," sa Newman. “Sloan Digital Sky Survey gjør målinger på rundt rødskift 0,2, og ser tilbake de siste 2-3 milliarder årene. Vi begynner virkelig på rødskift 0,7 og topper 0,8 eller 0,9, tilsvarende for 7-8 milliarder år siden, en tid da universet var halvparten så gammelt som det er i dag. ”
Undersøkelsen har også fullført målinger som kan belyse naturen til mørk energi - en mystisk energi som gjennomsyrer universet og ser ut til å føre til at universets utvidelse akselererer. Teamet modellerer nå forskjellige teorier om mørk energi for å sammenligne teoretiske forutsigelser med de nye DEEP2-målingene.
Som Davis forklarte det, bestemmer mengden av mørk energi, nå beregnet til å være 70 prosent av all energien i universet, utviklingen av galakser og klynger av galakser. Ved å telle antall små grupper og massive klynger av galakser i et fjernt romvolum som en funksjon av deres rødforskyvning og masse, er det mulig å måle mengden som universet har utvidet seg til i dag, noe som avhenger av naturen av mørk energi.
"I utgangspunktet teller du klyngene og spør:" Er det mye, eller noen få? ", Sa Davis. "Det er alt det utgjør. Hvis det er veldig få klynger, betyr det at universet utvidet ganske mange måter. Og hvis det er mange klynger, utvidet ikke universet seg like mye. "
Davis sammenligner for tiden DEEP2-målinger med spådommer om den enkleste mørke energiteorien, men håper å kunne samarbeide med andre teoretikere for å teste mer eksotiske teorier om mørk energi.
"Det de virkelig prøver å få til, er hvordan den mørke energitettheten endres når universet utvides," sa UC Berkeley teoretiske fysiker Martin White, professor i astronomi og fysikk som har jobbet med Davis. "Hvis den mørke energitettheten er Einsteins kosmologiske konstant, er den teoretiske forutsigelsen at den ikke endres. Den hellige gral nå er å få bevis på at det ikke er den kosmologiske konstanten, at den faktisk endrer seg. "
Originalkilde: UC Berkeley
