Kuvaluotto: ESO
Perusfyysisten vakioiden mahdollisten aikavaihtelujen havaitseminen tai rajoittaminen on tärkeä askel kohti fysiikan ja siten myös maailman, jossa elämme, täydellistä ymmärtämistä. Vaihe, jossa astrofysiikka osoittautuu hyödyllisimmäksi.
Aikaisemmat hienorakennevakion tähtitieteelliset mittaukset - mitaton luku, joka määrää varautuneiden hiukkasten ja sähkömagneettisten kenttien välisten vuorovaikutusten voimakkuuden - ehdottivat, että tämä erityinen vakio kasvaa hyvin vähän ajan myötä. Jos vahvistetaan, tällä olisi erittäin syvällisiä vaikutuksia ymmärrykseen perusfysiikasta.
Uudet tutkimukset, jotka tehtiin käyttämällä UVES-spektrografia Kueyenillä, joka on yksi ESO: n erittäin suuren teleskooppijärjestelmän 8,2 metrin kaukoputkeista Paranalissa (Chile), turvasivat uutta tietoa ennennäkemättömällä laadulla. Nämä tiedot yhdistettynä erittäin huolelliseen analyysiin ovat antaneet tähän mennessä vahvimmat tähtitieteelliset rajoitukset hienorakenteen vakion mahdolliselle variaatiolle. Ne osoittavat, että toisin kuin aikaisemmissa väitteissä, ei ole todisteita tämän perusvakion aikavaihtelujen olettamiseksi.
Hieno vakio
Selittääkseen maailmankaikkeuden ja esittääkseen sitä matemaattisesti, tutkijat luottavat ns. Perusvakiot tai kiinteät numerot. Fysiikan peruslait, sellaisina kuin ne nykyisin ymmärrämme, riippuvat noin 25 sellaisesta vakiosta. Tunnettuja esimerkkejä ovat gravitaatiovakio, joka määrittelee kahden kehon, kuten maan ja kuun, välisen voiman voimakkuuden ja valon nopeuden.
Yksi näistä vakioista on ns. "Hienorakennevakio", alfa = 1 / 137.03599958, yhdistelmä elektronin sähkövarausta, Planckin vakioita ja valon nopeutta. Hieno rakennevakio kuvaa kuinka sähkömagneettiset voimat pitävät atomeja yhdessä ja miten valo on vuorovaikutuksessa atomien kanssa.
Mutta ovatko nämä perustavat fyysiset vakiot todella vakioita? Ovatko nuo numerot aina samat, kaikkialla maailmankaikkeudessa ja kaikkina aikoina? Tämä ei ole niin naiivi kysymys kuin miltä se voi vaikuttaa. Perusteellisten vuorovaikutusten nykyteoriat, kuten Grand Unification Theory tai superjousuteoriat, jotka käsittelevät painovoimaa ja kvantmekaniikkaa johdonmukaisella tavalla, eivät vain ennusta perustavanlaatuisten fysikaalisten vakioiden riippuvuutta energiasta - hiukkasfysiikan kokeet ovat osoittaneet hienorakenteen vakiona kasvaa arvoon noin 1/128 korkeilla törmäysenergioilla - mutta salli niiden kosmologiset aika- ja tilanvaihtelut. Perusvakiien aikariippuvuus voisi myös helposti syntyä, jos kolmen avaruusulottuvuuden lisäksi olisi enemmän piilotettuja ulottuvuuksia.
Venäläinen fyysikko Lev Landau harkitsi jo vuonna 1955 mahdollisuutta, että alfa riippuu ajasta. 1960-luvun lopulla George Gamow ehdotti, että elektronin, ja siksi myös alfa, varaus voi vaihdella. On kuitenkin selvää, että tällaiset muutokset, jos niitä on, eivät voi olla suuria tai ne olisi jo havaittu suhteellisen yksinkertaisissa kokeissa. Näiden mahdollisten muutosten seuraaminen vaatii siis hienostuneimpia ja tarkimpia tekniikoita.
Ajassa taaksepäin
Itse asiassa jo tiedetään olevan olemassa melko vahvoja rajoituksia hienorakenteen vakion alfan mahdolliselle variaatiolle. Yksi tällainen rajoitus on luonteeltaan geologinen. Se perustuu toimenpiteisiin, jotka on toteutettu muinaisessa luonnollisessa fissioreaktorissa, joka sijaitsee lähellä Okloa (Gabon, Länsi-Afrikka) ja joka oli aktiivinen suunnilleen 2000 miljoonaa vuotta sitten. Tutkimalla tiettyjen elementtijoukkojen - harvinaisten maametallien, esimerkiksi samariumin isotooppien - jakautumista, jotka syntyivät uraanin hajoamisen avulla, voidaan arvioida tapahtuiko fysikaalinen prosessi nopeammassa vai hitaammassa tahdissa kuin voisimme odottaa. nykyään. Siten voimme mitata pelin perusvakion arvon mahdollisen muutoksen täällä, alfa. Alkuaineiden havaittu jakauma on kuitenkin yhdenmukainen laskelmien kanssa olettaen, että alfa-arvo tuolloin oli tarkalleen sama kuin nykyinen arvo. Kahden miljardin vuoden aikana alfamuutoksen on sen vuoksi oltava pienempi kuin noin 2 osaa 100 miljoonaa kohden. Jos lainkaan esiintyy, tämä on todellakin melko pieni muutos.
Entä muutokset paljon aikaisemmin maailmankaikkeuden historiassa?
Tämän mittaamiseksi meidän on löydettävä keinot koettaa vielä pidemmälle menneisyyteen. Ja tähtitiede voi auttaa tässä. Koska vaikka tähtitieteilijät eivät yleensä voi tehdä kokeita, itse maailmankaikkeus on valtava atomifysiikan laboratorio. Tutkimalla erittäin etäisiä esineitä, tähtitieteilijät voivat katsoa taaksepäin pitkällä aikavälillä. Tällä tavalla on mahdollista testata fysikaalisten vakioiden arvot silloin, kun maailmankaikkeudessa oli vain 25% nykyisestä iästä, ts. Noin 10 000 miljoonaa vuotta sitten.
Hyvin kaukana majakat
Tähän tähtitieteilijät luottavat spektroskopialla - aineen lähettämän tai absorboiman valon ominaisuuksien mittaamisella. Kun liekin valoa havaitaan prisman läpi, on näkyvissä sateenkaari. Kun suihkutetaan suolaa liekille, selkeät keltaiset viivat päällekkäin sateenkaarin tavanomaisten värien kanssa, ns. Päästöviivat. Kun asetat kaasukennon liekin ja prisman väliin, näkee sateenkaaren pimeät viivat: nämä ovat absorptiolinjat. Näiden emissio- ja absorptiospektrien aallonpituus liittyy suoraan suolan tai kaasun atomien energiatasoon. Spektroskopia antaa meille mahdollisuuden tutkia atomien rakennetta.
Atomien hieno rakenne voidaan havaita spektroskooppisesti tiettyjen energiatasojen jakautumisena noihin atomiin. Joten jos alfa muuttuisi ajan myötä, myös näiden atomien emissio- ja absorptiospektrit muuttuisivat. Yksi tapa etsiä muutoksia alfa-arvossa maailmankaikkeuden historian aikana on siksi mitata etäisten kvaasarien spektrit ja verrata tiettyjen spektriviivojen aallonpituuksia nykypäivän arvoihin.
Kvasaareja käytetään täällä vain majakkana - liekinä - kaukaisessa maailmankaikkeudessa. Tähtienväliset kaasupilvet galakseissa, jotka sijaitsevat kvasaarien ja meidän välillä samalla näköyhteydellä ja etäisyyksillä 6 - 11 tuhatta miljoonaa valovuotta, absorboivat kvasaarien lähettämän valon osat. Tuloksena oleva spektri edustaa siis tummia ”laaksoja”, jotka voidaan lukea tunnettuihin elementteihin.
Jos hienorakenteinen vakio sattuu muuttumaan valon matkan ajan, atomien energiatasot muuttuvat ja absorptiolinjojen aallonpituudet siirtyvät eri määrillä. Vertaamalla laaksojen suhteellisia eroja laboratorioarvoihin on mahdollista laskea alfa etäisyyden funktiona meistä, toisin sanoen, maailmankaikkeuden iän funktiona.
Nämä toimenpiteet ovat kuitenkin erittäin arkaluontoisia ja vaativat erittäin hyvää absorptiolinjojen mallintaa. He asettavat myös erittäin tiukat vaatimukset tähtitieteellisten spektrien laadulle. Niiden on oltava riittävän resoluutioisia, jotta spektrien pienimuutossiirrot voidaan mitata erittäin tarkasti. Ja riittävä määrä fotoneja on kaapattava, jotta saadaan tilastollisesti yksiselitteinen tulos.
Tätä varten tähtitieteilijöiden on käännyttävä suurimman kaukoputken edistyneimpiin spektrimittariin. Täällä ultravioletti- ja Visible Echelle -spektrografia (UVES) ja ESO: n Kueyen 8,2 -m-teleskooppi Paranalin observatoriossa ovat lyömättömät tämän yhdistelmän vertaansa vailla olevan spektrin laadun ja suuren keräilypeili-alueen ansiosta.
Jatkuva vai ei?
Tähtitieteilijäryhmä [1], jota johtaa Patrick Petitjean (Pariisin instituutti ja Observatoire de Paris, Ranska) ja Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, Intia), tutkivat erittäin huolellisesti homogeenisen näytteen 50 absorptiojärjestelmästä, joita havaittiin UVES: n ja Kueyenin avulla. pitkin 18 kaukaista kvaasarin näkölinjaa. He tallensivat kvaasarien spektrit yhteensä 34 yön aikana korkeimman mahdollisen spektrin resoluution ja parhaan signaali-kohinasuhteen saavuttamiseksi. Sovellettiin erityisesti tätä ohjelmaa varten suunniteltuja hienostuneita automaattisia menettelyjä.
Lisäksi tähtitieteilijät käyttivät laajoja simulaatioita osoittaakseen, että he pystyvät mallintamaan viivaprofiilit mahdollisen alfa-variaation palauttamiseksi.
Tämän laajan tutkimuksen tuloksena on, että viimeisen 10 000 miljoonan vuoden aikana alfan suhteellisen vaihtelun on oltava alle 0,6 osaa miljoonaan. Tämä on kvasarin imeytymislinjojen tutkimuksista toistaiseksi voimakkain rajoitus. Vielä tärkeämpää on, että tämä uusi tulos ei tue aiempia väitteitä tilastollisesti merkitsevästä alfa-muutoksesta ajan myötä.
Mielenkiintoista, että tätä tulosta tukee toinen - vähemmän laaja - analyysi, joka suoritetaan myös VLT: n UVES-spektrometrillä [2]. Vaikka nämä havainnot koskivat vain yhtä kirkkaimmista tunnetuista kvaasareista HE 0515-4414, tämä riippumaton tutkimus antaa edelleen tukea hypoteesille, jonka mukaan alfa-variaatiota ei ole.
Vaikka nämä uudet tulokset edustavat merkittävää parannusta tietämyksessämme yhden fysikaalisten vakioiden mahdollisesta (ei) variaatiosta, nykyinen tietokokonaisuus sallii periaatteessa kuitenkin variaatiot, jotka ovat verrattain suuria verrattuna mittausten tuloksiin. Oklo-luonnonreaktorista. Tästä huolimatta edistymistä tällä alalla odotetaan uuden erittäin tarkan säteittäisen nopeuden spektrometrin HARPS avulla ESOn 3,6 metrin kaukoputkessa La Silla-observatoriossa (Chile). Tämä spektrografi toimii nykyaikaisen tekniikan rajalla ja sitä käytetään pääasiassa uusien planeettojen havaitsemiseksi muiden tähtijen kuin Auringon ympärillä - se voi tarjota suuruusluokan parannuksen määritettäessä alfa-variaatiota.
Muut perusvakiot voidaan koettaa käyttämällä kvasaareja. Erityisesti tutkimalla etämaailman molekyylin vedyn aallonpituuksia voidaan koettaa protonin ja elektronin massojen välisen suhteen variaatiot. Sama joukkue osallistuu nyt niin suureen tutkimukseen erittäin suurella teleskoopilla, jonka pitäisi johtaa ennennäkemätöntä rajoitusta tähän suhteeseen.
Alkuperäinen lähde: ESO-lehdistötiedote
