Bildekreditt: ESO
Å oppdage eller begrense mulige tidsvariasjoner av grunnleggende fysiske konstanter er et viktig skritt mot en fullstendig forståelse av grunnleggende fysikk og derav den verdenen vi lever i. Et trinn der astrofysikk viser seg mest nyttig.
Tidligere astronomiske målinger av finstrukturkonstanten - det dimensjonsløse antallet som bestemmer styrken for interaksjoner mellom ladde partikler og elektromagnetiske felt - antydet at denne spesielle konstanten øker veldig med tiden. Hvis dette blir bekreftet, vil dette ha svært dype implikasjoner for vår forståelse av grunnleggende fysikk.
Nye studier, utført ved hjelp av UVES-spektrografen på Kueyen, et av de 8,2 m lange teleskopene til ESOs Very Large Telescope-matrise i Paranal (Chile), sikret nye data med enestående kvalitet. Disse dataene, kombinert med en meget nøye analyse, har gitt de sterkeste astronomiske begrensningene til dags dato for den mulige variasjonen av finstrukturkonstanten. De viser at i motsetning til tidligere påstander, finnes det ingen bevis for å anta en tidsvariasjon av denne grunnleggende konstanten.
En fin konstant
For å forklare universet og å representere det matematisk, er forskere avhengige av såkalte grunnleggende konstanter eller faste tall. De grunnleggende fysiske lovene, slik vi forstår dem nå, avhenger av omtrent 25 slike konstanter. Kjente eksempler er gravitasjonskonstanten, som definerer styrken til kraften som virker mellom to legemer, for eksempel Jorden og Månen, og lysets hastighet.
En av disse konstantene er den såkalte "fine strukturkonstanten", alpha = 1 / 137.03599958, en kombinasjon av elektrisk ladning av elektronet, Planck-konstanten og lysets hastighet. Den fine strukturkonstanten beskriver hvordan elektromagnetiske krefter holder atomer sammen og måten lys interagerer med atomer.
Men er disse grunnleggende fysiske konstantene virkelig konstante? Er tallene alltid de samme, overalt i universet og til enhver tid? Dette er ikke et så naivt spørsmål som det kan se ut til. Samtidige teorier om grunnleggende interaksjoner, som Grand Unification Theory eller superstrengteorier som behandler tyngdekraft og kvantemekanikk på en konsistent måte, ikke bare forutsier en avhengighet av grunnleggende fysiske konstanter med energi - eksperimenter med partikkelfysikk har vist finstruktur konstant til vokse til en verdi av omtrent 1/128 ved høye kollisjonsenergier - men gi rom for deres kosmologiske tids- og romvariasjoner. En tidsavhengighet av de grunnleggende konstantene kan også lett oppstå hvis det foruten de tre romdimensjonene finnes flere skjulte dimensjoner.
Allerede i 1955 vurderte den russiske fysikeren Lev Landau muligheten for en tidsavhengighet av alfa. På slutten av 1960-tallet antydet George Gamow i USA at ladningen av elektronet, og derfor også alfa, kan variere. Det er imidlertid klart at slike endringer, om noen, ikke kan være store, eller at de allerede ville blitt oppdaget i relativt enkle eksperimenter. Å spore disse mulige endringene krever således de mest sofistikerte og presise teknikkene.
Ser tilbake i tid
Faktisk er det allerede kjent sterke krefter for den mulige variasjonen av finstrukturens konstante alfa. En slik begrensning er av geologisk art. Den er basert på tiltak i den gamle naturlige fisjonreaktoren som ligger i nærheten av Oklo (Gabon, Vest-Afrika) og som var aktiv for omtrent 2000 millioner år siden. Ved å studere distribusjonen av et gitt sett med elementer - isotoper av de sjeldne jordene, for eksempel samarium - som ble produsert ved fisjon av uran, kan man estimere om den fysiske prosessen skjedde i et raskere eller langsommere tempo enn vi forventer det nå for tiden. Dermed kan vi måle en mulig endring av verdien av den grunnleggende konstanten som spilles her, alfa. Imidlertid er den observerte fordelingen av elementene konsistent med beregninger forutsatt at verdien av alfa på det tidspunktet var nøyaktig den samme som verdien i dag. I løpet av de 2 milliarder årene må alfaendringen derfor være mindre enn omtrent 2 deler per 100 millioner. Hvis det i det hele tatt er til stede, er dette en ganske liten endring.
Men hva med endringer mye tidligere i universets historie?
For å måle dette må vi finne midler til å undersøke lenger inn i fortiden. Og det er her astronomi kan hjelpe. For selv om astronomer generelt ikke kan gjøre eksperimenter, er universet i seg selv et stort atomfysikklaboratorium. Ved å studere veldig avsidesliggende objekter, kan astronomer se tilbake over lang tid. På denne måten blir det mulig å teste verdiene til de fysiske konstantene da universet bare hadde 25% av dagens alder, det vil si for rundt 10.000 millioner år siden.
Veldig langt beacons
For å gjøre dette, er astronomer avhengige av spektroskopi - måling av egenskapene til lys som blir avgitt eller absorbert av materie. Når lyset fra en flamme blir observert gjennom et prisme, er en regnbue synlig. Når du drysser salt på flammen, legges distinkte gule linjer over på de vanlige fargene på regnbuen, såkalte utslippslinjer. Når man setter en gasscelle mellom flammen og prisme, ser man imidlertid mørke linjer på regnbuen: dette er absorpsjonslinjer. Bølgelengden til disse emisjons- og absorpsjonsspektra-linjene er direkte relatert til energinivået til atomene i saltet eller i gassen. Spektroskopi lar oss dermed studere atomstruktur.
Den fine strukturen til atomer kan observeres spektroskopisk som splitting av visse energinivåer i disse atomene. Så hvis alfa skulle endre seg over tid, ville emisjonene og absorpsjonsspektrene for disse atomer også endre seg. En måte å se etter eventuelle endringer i verdien av alfa i løpet av universets historie er derfor å måle spektrene til fjerne kvasarer, og sammenligne bølgelengdene til visse spektrallinjer med dagens verdier.
Kvasarer brukes her bare som et fyrtårn - flammen - i det fjerne universet. Interstellare gassskyer i galakser, som ligger mellom kvasarene og oss på samme siktlinje og på avstander som varierer fra seks til elleve tusen millioner lysår, absorberer deler av lyset som sendes ut fra kvasarene. Det resulterende spekteret presenterer følgelig mørke "daler" som kan tilskrives kjente elementer.
Hvis finstrukturskonstanten tilfeldigvis endres over varigheten av lysets reise, ville energinivåene i atomene bli påvirket og bølgelengdene til absorpsjonslinjene ville bli forskjøvet med forskjellige mengder. Ved å sammenligne de relative gapene mellom dalene med laboratorieverdiene, er det mulig å beregne alfa som en funksjon av avstand fra oss, det vil si som en funksjon av universets alder.
Disse tiltakene er imidlertid ekstremt delikate og krever en veldig god modellering av absorpsjonslinjene. De stiller også svært sterke krav til kvaliteten på de astronomiske spektraene. De må ha nok oppløsning til å tillate veldig presis måling av minuscule skift i spektrene. Og et tilstrekkelig antall fotoner må fanges for å gi et statistisk entydig resultat.
For dette må astronomer henvende seg til de mest avanserte spektrale instrumenter på de største teleskopene. Det er her det ultrafiolette og synlige Echelle Spectrograph (UVES) og ESOs Kueyen 8,2-m-teleskop ved Paranal Observatory er uslåelig, takket være den uovertrufne spektralkvaliteten og det store samle speilområdet i denne kombinasjonen.
Konstant eller ikke?
Et team med astronomer [1], ledet av Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris og Observatoire de Paris, Frankrike) og Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, India) studerte veldig en homogen prøve på 50 absorpsjonssystemer observert med UVES og Kueyen langs 18 fjerne kvasars siktlinjer. De registrerte spektrene til kvasarer over totalt 34 netter for å oppnå høyest mulig spektraloppløsning og det beste signal-til-støy-forholdet. Sofistikerte automatiske prosedyrer som er spesielt designet for dette programmet ble brukt.
I tillegg brukte astronomene omfattende simuleringer for å vise at de riktig kan modellere linjeprofilene for å gjenopprette en mulig variasjon av alfa.
Resultatet av denne omfattende studien er at de siste 10.000 millioner årene må den relative variasjonen av alfa være mindre enn 0,6 del per million. Dette er den sterkeste begrensningen fra quasar absorpsjonslinjestudier til dags dato. Enda viktigere er at dette nye resultatet ikke støtter tidligere påstander om en statistisk signifikant alfaendring med tiden.
Interessant nok støttes dette resultatet av en annen - mindre omfattende - analyse, også utført med UVES-spektrometeret på VLT [2]. Selv om disse observasjonene bare dreide seg om en av de lyseste kjente kvasarene HE 0515-4414, gir denne uavhengige studien ytterligere støtte til hypotesen om ingen variasjon av alfa.
Selv om disse nye resultatene representerer en betydelig forbedring av vår kunnskap om den mulige (ikke-) variasjonen av en av de grunnleggende fysiske konstantene, vil det nåværende datasettet i prinsippet fortsatt tillate variasjoner som er relativt store sammenlignet med de som er resultatet av målingene. fra Oklo naturlige reaktor. Likevel forventes det ytterligere fremskritt på dette feltet med det nye radialhastighetsspektrometeret HARPS på meget høy nøyaktighet på ESOs 3,6 m-teleskop ved La Silla-observatoriet (Chile). Denne spektrografen fungerer på grensen av moderne teknologi og blir mest brukt til å oppdage nye planeter rundt andre stjerner enn sola - det kan gi en rekkefølge for forbedring av størrelsen på bestemmelsen av alfa-variasjonen.
Andre grunnleggende konstanter kan sonderes ved hjelp av kvasarer. Spesielt ved å studere bølgelengdene til molekylært hydrogen i det fjerne universet, kan man undersøke variasjonene i forholdet mellom massene til protonet og elektronet. Det samme teamet er nå engasjert i en så stor undersøkelse med Very Large Telescope som skulle føre til enestående begrensninger i dette forholdet.
Originalkilde: ESO News Release
