Credit imagine: ESO
Detectarea sau constrângerea variațiilor de timp posibile ale constantelor fizice fundamentale este un pas important către o înțelegere completă a fizicii de bază și, prin urmare, lumea în care trăim. Un pas în care astrofizica se dovedește cea mai utilă.
Măsurătorile astronomice anterioare ale constantei structurii fine - numărul fără dimensiuni care determină puterea interacțiunilor dintre particulele încărcate și câmpurile electromagnetice - au sugerat că această constantă particulară crește foarte ușor cu timpul. Dacă se confirmă, acest lucru ar avea implicații foarte profunde pentru înțelegerea noastră fizică fundamentală.
Noile studii, efectuate cu ajutorul spectrografiei UVES de pe Kueyen, unul dintre telescopurile de 8,2 m din gama de telescopuri foarte mari din ESO la Paranal (Chile), au asigurat date noi cu o calitate fără precedent. Aceste date, combinate cu o analiză foarte atentă, au furnizat până în prezent cele mai puternice constrângeri astronomice privind variația posibilă a constantei structurii fine. Acestea arată că, contrar afirmațiilor anterioare, nu există dovezi pentru asumarea unei variații de timp a acestei constante fundamentale.
O constantă fină
Pentru a explica Universul și pentru a-l reprezenta matematic, oamenii de știință se bazează pe așa-numitele constante fundamentale sau pe numere fixe. Legile fundamentale ale fizicii, așa cum le înțelegem în prezent, depind de aproximativ 25 de astfel de constante. Exemple bine cunoscute sunt constanta gravitațională, care definește forța forței care acționează între două corpuri, cum ar fi Pământul și Luna și viteza luminii.
Una dintre aceste constante este așa-numita „constantă de structură fină”, alpha = 1 / 137.03599958, o combinație de încărcare electrică a electronului, constanta Planck și viteza luminii. Constanta fină a structurii descrie modul în care forțele electromagnetice mențin atomii împreună și modul în care lumina interacționează cu atomii.
Dar sunt aceste constante fizice fundamentale cu adevărat constante? Aceste numere sunt întotdeauna la fel, oriunde în Univers și în orice moment? Aceasta nu este o întrebare atât de naivă pe cât poate părea. Teoriile contemporane ale interacțiunilor fundamentale, cum ar fi Teoria Marii Unificări sau teoriile super-șirurilor care tratează gravitația și mecanica cuantică într-un mod consecvent, nu numai că prezic dependența constantelor fizice fundamentale de energie - experimentele în fizica particulelor au arătat structura fină constantă la crește până la o valoare de aproximativ 1/128 la energiile de coliziune ridicate - dar permit variațiile lor de timp și spațiu cosmologice. O dependență de timp a constantelor fundamentale ar putea apărea cu ușurință și dacă, pe lângă cele trei dimensiuni spațiale, există mai multe dimensiuni ascunse.
Deja în 1955, fizicianul rus Lev Landau a considerat posibilitatea unei dependențe de timp de alfa. La sfârșitul anilor 1960, George Gamow din Statele Unite a sugerat că încărcarea electronului și, prin urmare, și alfa, poate varia. Cu toate acestea, este clar că astfel de modificări nu pot fi mari sau ar fi fost deja detectate în experimente relativ simple. Urmărirea acestor posibile modificări necesită astfel cele mai sofisticate și precise tehnici.
Privind înapoi în timp
De fapt, sunt deja cunoscute restricții destul de puternice pentru posibila variație a constantei alfa a structurii fine. O astfel de constrângere este de natură geologică. Se bazează pe măsurile luate în vechiul reactor de fisiune naturală situat în apropiere de Oklo (Gabon, Africa de Vest) și care a fost activ în urmă cu aproximativ 2.000 de milioane de ani. Studiind distribuția unui set de elemente - izotopi ai pământurilor rare, de exemplu samariul - care au fost produse de fisiunea uraniului, se poate estima dacă procesul fizic s-a petrecut într-un ritm mai rapid sau mai lent decât ne-am fi așteptat in zilele de azi. Astfel putem măsura o posibilă schimbare a valorii constantei fundamentale în joc aici, alfa. Cu toate acestea, distribuția observată a elementelor este în concordanță cu calculele presupunând că valoarea alfa la acea vreme era exact aceeași cu cea din ziua de azi. De-a lungul celor 2 miliarde de ani, schimbarea alfa trebuie să fie mai mică decât aproximativ 2 părți la 100 de milioane. Dacă este prezentă deloc, aceasta este într-adevăr o schimbare destul de mică.
Dar ce se întâmplă cu schimbările mult mai devreme în istoria Universului?
Pentru a măsura acest lucru, trebuie să găsim mijloace de a examina încă mai departe în trecut. Și aici poate ajuta astronomia. Pentru că, deși astronomii nu pot face în general experimente, Universul în sine este un imens laborator de fizică atomică. Studiind obiecte foarte îndepărtate, astronomii pot privi înapoi pe o perioadă lungă de timp. În acest fel devine posibil să testăm valorile constantelor fizice atunci când Universul avea doar 25% din vârsta actuală, adică acum aproximativ 10.000 de milioane de ani.
Beacons foarte departe
Pentru a face acest lucru, astronomii se bazează pe spectroscopie - măsurarea proprietăților luminii emise sau absorbite de materie. Când lumina dintr-o flacără este observată printr-o prismă, un curcubeu este vizibil. Atunci când stropesc sare pe flacără, liniile galbene distincte sunt suprapuse culorilor obișnuite ale curcubeului, așa-numitele linii de emisie. Punând o celulă de gaz între flacără și prismă, se observă linii întunecate pe curcubeu: acestea sunt linii de absorbție. Lungimea de undă a acestor linii ale spectrelor de emisie și absorbție este direct legată de nivelurile de energie ale atomilor din sare sau din gaz. Spectroscopia ne permite astfel să studiem structura atomică.
Structura fină a atomilor poate fi observată spectroscopic ca divizarea anumitor niveluri de energie în acei atomi. Deci, dacă alfa s-ar schimba în timp, spectrele de emisie și absorbție ale acestor atomi s-ar schimba și ele. Un mod de a căuta orice schimbare a valorii alfa de-a lungul istoriei Universului este, prin urmare, de a măsura spectrele de cvasi îndepărtate și de a compara lungimile de undă ale anumitor linii spectrale cu valorile actuale.
Cazarele sunt folosite aici doar ca un far - flacără - în Universul foarte îndepărtat. Nori interstelari de gaz în galaxii, situați între cvasari și noi, pe aceeași linie vizuală și la distanțe care variază de la șase la unsprezece mii de milioane de ani-lumină, absorb părți ale luminii emise de cvasi. Spectrul rezultat prezintă, prin urmare, „văi” întunecate, care pot fi atribuite unor elemente cunoscute.
Dacă constanta structurii fine se va schimba pe durata călătoriei luminii, nivelurile de energie din atomi ar fi afectate și lungimile de undă ale liniilor de absorbție ar fi modificate cu cantități diferite. Comparând lacunele relative dintre văi cu valorile de laborator, este posibil să se calculeze alfa ca funcție de distanță față de noi, adică ca o funcție a epocii Universului.
Aceste măsuri sunt însă extrem de delicate și necesită o modelare foarte bună a liniilor de absorbție. De asemenea, aceștia pun cerințe extrem de puternice cu privire la calitatea spectrelor astronomice. Acestea trebuie să aibă o rezoluție suficientă pentru a permite măsurarea foarte precisă a deplasărilor minuscule din spectre. Și un număr suficient de fotoni trebuie să fie capturați pentru a oferi un rezultat statistic lipsit de ambiguitate.
Pentru aceasta, astronomii trebuie să apeleze la cele mai avansate instrumente spectrale de pe cele mai mari telescoape. Acesta este locul în care telescopul ultra-violet și vizibil Echelle (UVES) și telescopul Kueyen de 8,2 m al ESO al Observatorului Paranal sunt imbatabile, datorită calității spectrale inegalabile și a unei oglinzi mari de colectare a acestei combinații.
Constant sau nu?
O echipă de astronomi [1], condusă de Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris și Observatoire de Paris, Franța) și Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, India) a studiat foarte atent un eșantion omogen de 50 de sisteme de absorbție observate cu UVES și Kueyen de-a lungul a 18 linii de vedere îndepărtate. Au înregistrat spectrele de cvasari pe un total de 34 de nopți pentru a obține cea mai mare rezoluție spectrală posibilă și cel mai bun raport semnal-zgomot. Au fost aplicate proceduri automate sofisticate special concepute pentru acest program.
În plus, astronomii au folosit simulări extinse pentru a arăta că pot modela corect profilurile de linie pentru a recupera o posibilă variație de alfa.
Rezultatul acestui studiu extins este că în ultimii 10.000 de milioane de ani, variația relativă a alfa trebuie să fie mai mică de 0,6 parte pe milion. Aceasta este cea mai puternică constrângere din studiile liniilor de absorbție a quasarului până în prezent. Mai important, acest nou rezultat nu acceptă pretențiile anterioare ale unei schimbări semnificative din punct de vedere statistic alfa cu timpul.
Interesant este că acest rezultat este susținut de o altă analiză - mai puțin extinsă, realizată și cu spectrometrul UVES pe VLT [2]. Chiar dacă aceste observații s-au referit doar la unul dintre cele mai strălucite cvasi HE 0515-4414 cunoscute, acest studiu independent oferă un sprijin suplimentar ipotezei nicio variație de alfa.
Chiar dacă aceste noi rezultate reprezintă o îmbunătățire semnificativă a cunoașterii noastre despre posibila (non) variație a uneia dintre constantele fizice fundamentale, setul actual de date ar permite, în principiu, totuși variații relativ mari în comparație cu cele rezultate din măsurători. din reactorul natural Oklo. Cu toate acestea, se așteaptă progrese în acest domeniu cu noul spectrometru HARPS cu viteză radială de înaltă precizie de pe telescopul de 3,6 m al ESO la Observatorul La Silla (Chile). Acest spectrograf funcționează la limita tehnologiei moderne și este utilizat în cea mai mare parte pentru a detecta planete noi în jurul stelelor, altele decât Soarele - poate oferi un ordin de îmbunătățire a mărimii la determinarea variației alfa.
Alte constante fundamentale pot fi sondate folosind quasari. În special, studiind lungimile de undă ale hidrogenului molecular din Universul îndepărtat, se pot sonda variațiile raportului dintre masele protonului și electronului. Aceeași echipă este acum angajată într-un sondaj atât de mare cu telescopul foarte mare, care ar trebui să conducă la constrângeri fără precedent asupra acestui raport.
Sursa originală: Comunicat de știri ESO
