Кредит за изображение: ESO
Откриването или ограничаването на възможните отклонения във времето на основните физични константи е важна стъпка към пълно разбиране на основната физика, а оттам и на света, в който живеем. Стъпка, в която астрофизиката се оказва най-полезна.
Предишни астрономически измервания на константата на фината структура - безразмерното число, което определя силата на взаимодействията между заредените частици и електромагнитните полета - предполагат, че тази константа се увеличава много леко с времето. Ако бъде потвърдено, това ще има много дълбоки последици за нашето разбиране на фундаменталната физика.
Нови проучвания, проведени с помощта на UVES спектрографа на Kueyen, един от 8,2-метровите телескопи на много големия телескоп на ESO в Паранал (Чили), осигуриха нови данни с безпрецедентно качество. Тези данни, комбинирани с много внимателен анализ, предоставиха най-силните астрономически ограничения до момента на възможното изменение на константата на фината структура. Те показват, че противно на предходните твърдения, не съществуват доказателства за допускане на изменение във времето на тази основна константа.
Фина константа
За да обяснят Вселената и да я представят математически, учените разчитат на така наречените основни константи или фиксирани числа. Основните закони на физиката, както ги разбираме понастоящем, зависят от около 25 такива константи. Добре известни примери са гравитационната константа, която определя силата на силата, действаща между две тела, като Земята и Луната, и скоростта на светлината.
Една от тези константи е така наречената "постоянна структура на фината структура", алфа = 1 / 137.03599958, комбинация от електрически заряд на електрона, постоянната на Планк и скоростта на светлината. Константата на фината структура описва как електромагнитните сили държат атомите заедно и начина, по който светлината взаимодейства с атомите.
Но тези основни физични константи наистина ли са постоянни? Винаги ли са тези числа, навсякъде във Вселената и по всяко време? Това не е толкова наивен въпрос, колкото изглежда. Съвременните теории за фундаментални взаимодействия, като теорията на Голямото обединение или теории за супер струни, които третират гравитацията и квантовата механика последователно, не само прогнозират зависимост на основните физични константи от енергията - експериментите по физика на частиците показват, че фината структура постоянна до нарастват до стойност около 1/128 при високи енергии на сблъсък - но позволяват космологичните им промени във времето и пространството. Временна зависимост на основните константи също може лесно да възникне, ако освен трите пространствени измерения, има и по-скрити измерения.
Още през 1955 г. руският физик Лев Ландау обмисля възможността за времева зависимост от алфата. В края на 60-те Джордж Гамов в Съединените щати предположи, че зарядът на електрона, а следователно и алфа, може да варира. Ясно е обаче, че такива промени, ако има такива, не могат да бъдат големи или биха били открити при сравнително прости експерименти. Следователно проследяването на тези възможни промени изисква най-сложните и прецизни техники.
Поглеждайки назад във времето
Всъщност вече са известни доста силни ограничения за възможното изменение на константата на фината структура алфа. Едно такова ограничение е от геоложки характер. Той се основава на мерки, предприети в древния реактор за естествено делене, разположен близо до Окло (Габон, Западна Африка) и който е действал преди около 2000 милиона години. Чрез изучаване на разпределението на даден набор от елементи - изотопи на редките земи, например самарий - които са получени при деленето на уран, може да се прецени дали физическият процес се е случил с по-бързи или по-бавни темпове, отколкото бихме го очаквали в днешно време. По този начин можем да измерим възможна промяна на стойността на основната константа при игра тук, алфа. Наблюдаваното разпределение на елементите обаче е в съответствие с изчисленията, като се предполага, че стойността на алфата по онова време е била точно същата като стойността днес. През тези 2 милиарда години промяната на алфата трябва да бъде по-малка от около 2 части на 100 милиона. Ако изобщо присъства, това наистина е доста малка промяна.
Но какво да кажем за промените много по-рано в историята на Вселената?
За да измерим това, трябва да намерим средства да проучим още по-далеч в миналото. И тук астрономията може да помогне. Защото, макар астрономите да не могат да правят експерименти, самата Вселена е огромна лаборатория за атомна физика. Изучавайки много отдалечени обекти, астрономите могат да гледат назад за дълъг период от време. По този начин става възможно да се тестват стойностите на физическите константи, когато Вселената е имала едва 25% от настоящата възраст, тоест преди около 10 000 милиона години.
Много далечни маяци
За целта астрономите разчитат на спектроскопия - измерване на свойствата на светлината, излъчвана или погълната от материята. Когато светлината от пламък се наблюдава през призмата, се вижда дъга. Когато поръсвате сол върху пламъка, отчетливи жълти линии се наслагват върху обичайните цветове на дъгата, така наречените емисионни линии. Поставяйки газова клетка между пламъка и призмата, човек вижда обаче тъмни линии върху дъгата: това са линии на абсорбция. Дължината на вълната на тези линии на емисионния и абсорбционен спектър е пряко свързана с енергийните нива на атомите в солта или в газа. По този начин спектроскопията ни позволява да изучаваме атомната структура.
Фината структура на атомите може да се наблюдава спектроскопично като разцепване на определени енергийни нива в тези атоми. Така че, ако алфата се промени във времето, спектрите на емисия и абсорбция на тези атоми също биха се променили. Следователно един от начините да се търсят промени в стойността на алфа през историята на Вселената е да се измери спектрите на далечни квазари и да се сравнят дължините на вълните на определени спектрални линии с днешните стойности.
Квазарите тук се използват само като маяк - пламъкът - в много далечната Вселена. Междузвездни облаци газ в галактики, разположени между квазарите и нас на една и съща зрителна линия и на разстояния, вариращи от шест до единадесет хиляди милиона светлинни години, поглъщат части от светлината, излъчвана от квазарите. Следователно полученият спектър представлява тъмни „долини“, които могат да бъдат отнесени към добре познати елементи.
Ако константата на фината структура се променя през продължителността на пътуването на светлината, енергийните нива в атомите ще бъдат засегнати и дължините на вълните на абсорбционните линии ще бъдат изместени с различни количества. Сравнявайки относителните пропуски между долините и лабораторните стойности, е възможно да се изчисли алфа като функция на разстояние от нас, тоест като функция на епохата на Вселената.
Тези мерки обаче са изключително деликатни и изискват много добро моделиране на поглъщащите линии. Те също така поставят изключително високи изисквания към качеството на астрономическите спектри. Те трябва да имат достатъчно разделителна способност, за да позволят много точно измерване на минусовите смени в спектрите. И трябва да бъдат заснети достатъчен брой фотони, за да се даде еднозначен статистически резултат.
За това астрономите трябва да се обърнат към най-модерните спектрални инструменти на най-големите телескопи. Това е мястото, където ултравиолетовият и видим спектър на Echelle (UVES) и 8,2-метровият телескоп Kueyen от ESO в Обсерваторията Паранал е непобедим, благодарение на ненадминатото спектрално качество и голямата огледална площ от тази комбинация.
Постоянен или не?
Екип от астрономи [1], ръководен от Патрик Петитян (Институт д'Астрофизика Париж и Обсерватория Париж, Франция) и Рагунатан Сриананд (IUCAA Пуне, Индия) много внимателно проучи хомогенна проба от 50 абсорбционни системи, наблюдавани с UVES и Kueyen по протежение на 18 далечни квазарски линии. Те записват спектрите на квазарите за общо 34 нощи, за да постигнат възможно най-високата спектрална разделителна способност и най-доброто съотношение сигнал / шум. Приложени са сложни автоматични процедури, специално проектирани за тази програма.
В допълнение, астрономите използваха обширни симулации, за да покажат, че могат правилно да моделират профилите на линиите, за да възстановят възможна промяна на алфата.
Резултатът от това широко проучване е, че през последните 10 000 милиона години относителното изменение на алфата трябва да бъде по-малко от 0,6 част на милион. Това е най-силното ограничение от проучванията на квазарови абсорбционни линии до момента. По-важното е, че този нов резултат не подкрепя предишни твърдения за статистически значима промяна на алфа с времето.
Интересното е, че този резултат се подкрепя от друг - по-малко обширен - анализ, също проведен със спектрометъра UVES на VLT [2]. Въпреки че тези наблюдения се отнасят само до един от най-ярките известни квазари HE 0515-4414, това независимо проучване дава допълнителна подкрепа на хипотезата за непроменени алфа.
Въпреки че тези нови резултати представляват значително подобрение в познанията ни за възможните (не) вариации на една от основните физични константи, настоящият набор от данни все още би позволил вариации, които са сравнително големи в сравнение с тези, получени в резултат на измерванията от природния реактор Oklo. Въпреки това се очаква по-нататъшен напредък в тази област с новия радиално-скоростен спектрометър HARPS на 3-метровия телескоп на ESO в обсерваторията Ла Сила (Чили). Този спектрограф работи на границата на съвременната технология и се използва най-вече за откриване на нови планети около звезди, различни от Слънцето - може да осигури ред на подобрение по отношение на определянето на изменението на алфата.
Други фундаментални константи могат да бъдат изследвани с помощта на квазари. По-специално, изучавайки дължините на вълните на молекулния водород във отдалечената Вселена, може да се изследват вариантите на съотношението между масите на протона и електрона. Същият екип сега участва в толкова голямо проучване с много големия телескоп, което би трябвало да доведе до безпрецедентни ограничения в това съотношение.
Оригинален източник: ESO News Release
