Kreditna slika: ESO
Otkrivanje ili ograničavanje mogućih vremenskih varijacija osnovnih fizičkih konstanti važan je korak prema potpunom razumijevanju osnovne fizike, a time i svijeta u kojem živimo. Korak u kojem se astrofizika pokazuje kao najkorisnija.
Prethodna astronomska mjerenja konstante finih struktura - bezdimenzijski broj koji određuje snagu interakcije između nabijenih čestica i elektromagnetskog polja - sugerirali su da se ta konkretna konstanta s vremenom vrlo malo povećava. Ukoliko se potvrdi, to bi imalo vrlo duboke posljedice za naše razumijevanje fundamentalne fizike.
Nove studije, provedene pomoću UVES spektrografa na Kueyenu, jednom od 8,2 m teleskopa ESO-ovog vrlo velikog teleskopskog polja u Paranalu (Čile), osigurale su nove podatke bez premca. Ovi podaci, u kombinaciji s vrlo pažljivom analizom, pružili su do sada najjača astronomska ograničenja u pogledu mogućih promjena konstante fine strukture. Oni pokazuju da, suprotno prethodnim tvrdnjama, ne postoje dokazi za pretpostavku vremenske varijacije ove temeljne konstante.
Fina konstanta
Da bi objasnili Svemir i matematički ga predstavili, znanstvenici se oslanjaju na takozvane osnovne konstante ili fiksne brojeve. Temeljni zakoni fizike, kako ih danas razumijemo, ovise o oko 25 takvih konstanti. Dobro poznati primjeri su gravitaciona konstanta, koja definira jačinu sile koja djeluje između dva tijela, poput Zemlje i Mjeseca, i brzinu svjetlosti.
Jedna od tih konstanta je takozvana "konstanta fine strukture", alfa = 1 / 137.03599958, kombinacija električnog naboja elektrona, Planckove konstante i brzine svjetlosti. Konstanta fine strukture opisuje kako elektromagnetske sile drže atome zajedno i način na koji svjetlost djeluje s atomima.
Jesu li ove osnovne fizičke konstante zaista stalne? Jesu li ti brojevi uvijek isti, svugdje u Svemiru i u svakom trenutku? Ovo nije tako naivno pitanje koliko se može činiti. Suvremene teorije temeljnih interakcija, kao što su Grand teorija ujedinjenja ili teorije super stringa koje tretiraju gravitaciju i kvantnu mehaniku na dosljedan način, ne samo predviđaju ovisnost osnovnih fizičkih konstanti s energijom - eksperimenti fizike čestica pokazali su da je fina struktura konstantna na raste na vrijednosti od oko 1/128 pri visokim energijama sudara - ali dopuštaju njihove kozmološke varijacije u vremenu i prostoru. Vremenska ovisnost osnovnih konstanti također bi lako mogla nastati ako osim tri dimenzije prostora postoje još skrivene dimenzije.
Već 1955. ruski fizičar Lev Landau razmatrao je mogućnost vremenske ovisnosti alfe. U kasnim 1960-ima George Gamow u Sjedinjenim Državama sugerirao je da naboj elektrona, a time i alfa, može varirati. Jasno je, međutim, da takve promjene, ako ih ima, ne mogu biti velike ili bi već bile otkrivene u relativno jednostavnim eksperimentima. Praćenje ovih mogućih promjena stoga zahtijeva najsofisticiranije i najpreciznije tehnike.
Gledajući unatrag u vrijeme
U stvari, već su poznata prilično snažna ograničenja za moguće varijacije alfa konstante fine strukture. Jedno od takvih ograničenja je geološke prirode. Temelji se na mjerama poduzetim u drevnom reaktoru prirodne fisije smještenom u blizini Okloa (Gabon, zapadna Afrika) i koji je bio aktivan prije otprilike 2000 milijuna godina. Proučavanjem raspodjele određenog skupa elemenata - izotopa rijetkih Zemlji, na primjer samarija - nastalih cijepanjem urana, može se procijeniti je li se fizički proces dogodio bržim ili sporijim tempom nego što bismo očekivali ovih dana. Stoga možemo izmjeriti moguću promjenu vrijednosti osnovne konstante koja se ovdje igra, alfa. Međutim, promatrana raspodjela elemenata u skladu je s proračunima koji pretpostavljaju da je vrijednost alfa u to vrijeme bila potpuno ista kao i danas. Tijekom dvije milijarde godina, promjena alfe mora biti manja od oko 2 dijela na 100 milijuna. Ako su uopće prisutni, to je doista mala promjena.
Ali što je s promjenama mnogo ranije u povijesti Univerzuma?
Da bismo to izmjerili moramo pronaći sredstva za ispitivanje još dalje u prošlost. I ovdje astronomija može pomoći. Jer, iako astronomi općenito ne mogu eksperimentirati, sam je Svemir ogroman laboratorij atomske fizike. Proučavajući vrlo udaljene predmete, astronomi mogu gledati unatrag kroz dugo razdoblje. Na taj način postaje moguće testirati vrijednosti fizičkih konstanti kada je Svemir imao samo 25% sadašnje dobi, odnosno prije otprilike 10 000 milijuna godina.
Vrlo daleko svjetionici
Da bi to učinili, astronomi se oslanjaju na spektroskopiju - mjerenje svojstava svjetlosti koje emitira ili apsorbira tvar. Kad se svjetlost iz plamena opazi kroz prizmu, vidi se duga. Prilikom prskanja soli na plamenu, različite žute linije nanose se uobičajenim bojama duge, takozvanim emisijskim linijama. Stavljajući plinsku ćeliju između plamena i prizme, vide se tamne crte duge: to su apsorpcijske linije. Valna duljina ovih linija spektra emisije i apsorpcije izravno je povezana s razinama energije atoma u soli ili plinu. Spektroskopija nam na taj način omogućava proučavanje atomske strukture.
Fina struktura atoma može se promatrati spektroskopski kao cijepanje određenih energetskih razina u tim atomima. Ako bi se alfa vremenom mijenjala, spektar emisije i apsorpcije ovih atoma također bi se mijenjao. Jedan od načina traženja bilo kakvih promjena vrijednosti alfa tijekom povijesti svemira je, dakle, mjerenje spektra udaljenih kvazara i usporedba valnih duljina određenih spektralnih linija s današnjim vrijednostima.
Kvazi se ovdje koriste samo kao svjetionik - plamen - u vrlo udaljenom Svemiru. Međuzvjezdani oblaci plina u galaksijama, smješteni između kvazara i nas na istoj liniji vida i na udaljenostima od šest do jedanaest tisuća milijuna svjetlosnih godina, apsorbiraju dijelove svjetlosti koje emituju kvazari. Tako dobiveni spektar predstavlja tamne „doline“ koje se mogu pripisati dobro poznatim elementima.
Ako se dogodi da se konstanta fine strukture mijenja tijekom trajanja puta svjetlosti, na to će utjecati razina energije u atomima, a valne duljine apsorpcijskih linija pomjerale bi se za različite količine. Usporedbom relativnih praznina između dolina i laboratorijskih vrijednosti, moguće je izračunati alfu kao funkciju udaljenosti od nas, tj. Kao funkciju doba svemira.
Ove su mjere, međutim, izuzetno osjetljive i zahtijevaju vrlo dobro modeliranje apsorpcijskih vodova. Oni također postavljaju iznimno visoke zahtjeve u pogledu kvalitete astronomskih spektra. Moraju imati dovoljno razlučivosti da omoguće vrlo precizno mjerenje minusa pomicanja u spektrima. I dovoljan broj fotona mora se zabilježiti da bi se dobio statistički nedvosmislen rezultat.
Za to se astronomi moraju okrenuti najnaprednijim spektralnim instrumentima na najvećim teleskopima. Ovo je mjesto gdje je ultra ljubičasti i vidljivi echelle spektrograf (UVES) i ESO-ov teleskop Kueyen 8,2 m u opservatoriju Paranal nenadmašan zahvaljujući nenadmašnoj spektralnoj kvaliteti i velikom zrcalnom području ove kombinacije.
Stalno ili ne?
Tim astronoma [1], predvođen Patrickom Petitjeanom (Institut d'Astrophysique de Paris i Observatoire de Paris, Francuska) i Raghunathanom Srianandom (IUCAA Pune, Indija) vrlo su pažljivo proučavali homogeni uzorak od 50 apsorpcijskih sustava promatranih s UVES-om i Kueyenom uz 18 udaljenih crta vida. Snimili su spektar kvazara tijekom ukupno 34 noći kako bi postigli najveću moguću spektralnu razlučivost i najbolji omjer signal-šum. Primijenjeni su sofisticirani automatski postupci posebno dizajnirani za ovaj program.
Pored toga, astronomi su koristili opsežne simulacije kako bi pokazali da mogu ispravno modelirati linijske profile kako bi povratili moguću varijaciju alfa.
Rezultat ovog opsežnog istraživanja je da je u posljednjih 10 000 milijuna godina relativna varijacija alfe trebala biti manja od 0,6 dijela na milijun. Ovo je najjače ograničenje od dosadašnjih istraživanja kvadrata apsorpcijskih linija. Što je još važnije, ovaj novi rezultat ne podržava prethodne tvrdnje o statistički značajnoj promjeni alfe s vremenom.
Zanimljivo je da ovaj rezultat podržava i druga - manje opsežna - analiza, također provedena sa UVES spektrometrom na VLT [2]. Iako su se ta opažanja odnosila samo na jedan od najsjajnijih poznatih kvazara HE 0515-4414, ova neovisna studija daje daljnju potporu hipotezi o nepromjenjivosti alfa.
Iako ovi novi rezultati značajno poboljšavaju naše znanje o mogućoj (ne) promjeni neke osnovne fizičke konstante, sadašnji skup podataka u načelu bi i dalje omogućio varijacije koje su razmjerno velike u usporedbi s rezultatima mjerenja. iz prirodnog reaktora Oklo. Bez obzira na to, očekuje se daljnji napredak na ovom polju s novim vrlo preciznim spektrometrom radijalne brzine HARPS na ESO-ovom 3,6-metarskom teleskopu u opservatoriju La Silla (Čile). Ovaj spektrograf djeluje na granici suvremene tehnologije i uglavnom se koristi za otkrivanje novih planeta oko zvijezda koje nisu Sunce - može osigurati redoslijed poboljšanja pri određivanju varijacije alfa.
Ostale temeljne konstante mogu se ispitivati pomoću kvazara. Proučavajući valne duljine molekularnog vodika u udaljenom Svemiru, posebno se mogu ispitati varijacije u omjeru između mase protona i elektrona. Isti tim sada je angažiran u tako velikom istraživanju s Veoma velikim teleskopom koji bi trebao dovesti do neviđenih ograničenja za ovaj omjer.
Izvorni izvor: ESO News Release
