Kujutise krediit: ESO
Põhiliste füüsikaliste konstantide võimalike ajavariatsioonide tuvastamine või piiramine on oluline samm põhifüüsika ja seega ka maailma, kus me elame, täieliku mõistmise poole. Samm, kus astrofüüsika osutub kõige kasulikumaks.
Varasemad peenstruktuuri konstandi astronoomilised mõõtmised - mõõtmeteta arv, mis määrab laetud osakeste ja elektromagnetiliste väljade vastastikmõju tugevuse - näitasid, et see konkreetne konstant suureneb aja jooksul pisut. Kui see kinnitatakse, oleks sellel väga sügav mõju meie arusaamale põhifüüsikast.
Uued uuringud, mis viidi läbi UVES-spektrograafi abil Kueyenil, mis on üks ESO väga suure teleskoobiga 8,2-meetristest teleskoopidest Paranalis (Tšiili), tagasid enneolematu kvaliteediga uusi andmeid. Need andmed koos väga hoolika analüüsiga on peenstruktuuri konstantsi võimaliku varieerumise osas seni andnud kõige tugevamad astronoomilised piirangud. Need näitavad, et vastupidiselt varasematele väidetele puuduvad tõendid selle põhimõttelise konstandi ajaliste variatsioonide eeldamiseks.
Peen konstant
Universumi selgitamiseks ja matemaatiliseks esindamiseks tuginevad teadlased nn fundamentaalsetele konstantidele või fikseeritud arvudele. Füüsika põhiseadused, nagu me neid praegu mõistame, sõltuvad umbes 25 sellisest konstandist. Tuntud näideteks on gravitatsioonikonstant, mis määratleb kahe keha, näiteks Maa ja Kuu vahel tegutseva jõu tugevuse ja valguse kiiruse.
Üks neist konstantidest on niinimetatud peenstruktuuri konstant, alfa = 1 / 137,03599958, elektroni elektrilaengu, Plancki konstandi ja valguse kiiruse kombinatsioon. Peenstruktuuri konstant kirjeldab, kuidas elektromagnetilised jõud hoiavad aatomeid koos ja kuidas valgus interakteerub aatomitega.
Kuid kas need põhilised füüsikalised konstandid on tõesti püsivad? Kas need numbrid on alati ühesugused, kõikjal universumis ja kogu aeg? See pole nii naiivne küsimus, nagu võib tunduda. Kaasaegsed fundamentaalsete koosmõjude teooriad, näiteks Grandi ühendamise teooria või superstringute teooriad, mis käsitlevad gravitatsiooni ja kvantmehaanikat järjepidevalt, ei ennusta mitte ainult põhiliste füüsikaliste konstantide sõltuvust energiast - osakeste füüsikakatsed on näidanud, et peenstruktuur on püsiv kuni suure põrkeenergia korral kasvab väärtus umbes 1/128 - kuid arvestage nende kosmoloogiliste aja- ja ruumimuutustega. Põhikonstandite ajasõltuvus võib kergesti tekkida ka siis, kui lisaks kolmele ruumimõõtmele on olemas ka rohkem varjatud mõõtmeid.
Juba 1955. aastal kaalus vene füüsik Lev Landau alfa ajast sõltuvuse võimalust. 1960. aastate lõpus soovitas George Gamow USA-s, et elektroni ja seega ka alfa laeng võib erineda. On siiski selge, et sellised muudatused, kui neid on, ei saa olla suured või oleks need juba suhteliselt lihtsate katsete käigus avastatud. Nende võimalike muutuste jälgimine nõuab seega kõige keerukamaid ja täpsemaid tehnikaid.
Ajaliselt tagasi vaadates
Tegelikult on peenestruktuuri konstantse alfa võimaliku varieerimise kohta teada juba üsna tugevad piirangud. Üks selline piirang on geoloogilise olemusega. See põhineb meetmetel, mis võeti iidses loodusliku lõhustumise reaktoris, mis asub Oklo lähedal (Gabon, Lääne-Aafrika) ja mis oli aktiivne umbes 2000 miljonit aastat tagasi. Uurides uraani lõhustumisel toodetud elementide - haruldaste muldmetallide, näiteks samariumi isotoopide - jaotust, saab hinnata, kas füüsikaline protsess toimus kiiremas või aeglasemas tempos, kui me eeldaksime tänapäeval. Nii saame siin mõõta mängitava põhikonstandi väärtuse võimalikku muutust, alfa. Elementide vaadeldud jaotus on aga kooskõlas arvutustega, eeldades, et alfa väärtus sel ajal oli täpselt sama, mis tänapäeval. 2 miljardi aasta jooksul peab alfa muutus olema seega väiksem kui umbes 2 osa 100 miljoni kohta. Kui see üldse olemas on, on see üsna väike muudatus.
Kuidas on lood muutustega palju varem universumi ajaloos?
Selle mõõtmiseks peame leidma vahendid, et proovida veelgi kaugemale minevikku. Ja siin võib astronoomia aidata. Sest kuigi astronoomid ei saa üldiselt katseid teha, on Universum iseenesest tohutu aatomifüüsika labor. Väga kaugeid objekte uurides saavad astronoomid vaadata tagasi pikale ajale. Sel viisil on võimalik testida füüsikaliste konstandite väärtusi, kui universumis oli praegusest vanusest vaid 25%, see tähendab umbes 10 000 miljonit aastat tagasi.
Väga kaugel majakad
Selleks tuginevad astronoomid spektroskoopiale - ainega kiirgava või neeldunud valguse omaduste mõõtmisele. Kui leegi valgust vaadeldakse läbi prisma, on vikerkaar nähtav. Kui leeki soola piserdatakse, asetatakse vikerkaare tavalistele värvidele, nn heitejoontele, selged kollased jooned. Gaasielemendi leegi ja prisma vahele asetades näeb vikerkaarele siiski tumedaid jooni: need on neeldumisjooned. Nende emissiooni- ja neeldumisspektrite lainepikkus on otseselt seotud soola või gaasi aatomite energiatasemega. Spektroskoopia võimaldab meil seega uurida aatomi struktuuri.
Aatomite peent struktuuri saab spektroskoopiliselt vaadelda kui aatomite teatud energiatasemete jaotust. Nii et kui alfa aja jooksul muutuks, muutuksid ka nende aatomite emissiooni- ja neeldumisspektrid. Üks viis alfa väärtuse muutuste otsimiseks universumi ajaloo jooksul on seetõttu kaugete kvaasaride spektrite mõõtmine ja teatud spektraaljoonte lainepikkuste võrdlemine tänapäeva väärtustega.
Kvasaare kasutatakse siin kõige kaugemas universumis ainult majakana - leegina. Galaktikates astuvad tähtedevahelised gaasipilved, mis asuvad kvaasarite ja meie vahel samal vaatealal ja vahemikus kuus kuni üksteist tuhat miljonit valgusaastat, neelavad kvaasarite kiirgava valguse osad. Saadud spekter esindab järelikult tumedaid orusid, mida võib omistada tuntud elementidele.
Kui peenstruktuuri konstant juhtub valguse teekonna jooksul muutuma, mõjutaks aatomite energiataset ja neeldumisjoonte lainepikkusi nihutataks erineva suurusega. Võrreldes orgude vahelisi suhtelisi vahesid laboratoorsete väärtustega, on võimalik arvutada alfa sõltuvus meist kaugusest, st universumi vanuse funktsioonina.
Need meetmed on siiski äärmiselt delikaatsed ja nõuavad neeldumisjoonte väga head modelleerimist. Samuti seavad nad astronoomiliste spektrite kvaliteedile erakordselt karmid nõuded. Neil peab olema piisavalt eraldusvõimet, et spektrites oleks võimalik väga täpselt mõõta miinusklaasi nihkeid. Ja statistiliselt üheselt mõistetava tulemuse saamiseks tuleb hõivata piisav arv footoneid.
Selleks peavad astronoomid pöörduma suurimate teleskoopide kõige keerukamate spektraalinstrumentide poole. See on koht, kus Paranali observatooriumis on ultraviolett- ja nähtava Echelle spektrograaf (UVES) ning ESO Kueyeni 8,2-meetrine teleskoop ületamatu tänu selle kombinatsiooni võrratule spektraalkvaliteedile ja suurele kogumispeegli alale.
Pidev või mitte?
Astronoomide meeskond [1], keda juhendavad Patrick Petitjean (Pariisi Instituut ja Pariisi Observatoire de Pariis) ja Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, India) uurisid hoolikalt UVESi ja Kueyeni abil jälgitud 50 absorptsioonisüsteemi homogeenset proovi. piki 18 kauge kvaasari vaatevälja. Nad salvestasid kvaasaride spektrid kokku 34 öösel, et saavutada suurim võimalik spektraalne lahutusvõime ja parim signaali-müra suhe. Rakendati spetsiaalselt selle programmi jaoks loodud keerukaid automaatprotseduure.
Lisaks kasutasid astronoomid ulatuslikke simulatsioone, et näidata, et nad suudavad joonprofiile õigesti modelleerida, et saada tagasi alfa variatsioon.
Selle ulatusliku uuringu tulemus on, et viimase 10 000 miljoni aasta jooksul peab alfa suhteline varieeruvus olema väiksem kui 0,6 osa miljoni kohta. See on kvasari neeldumisjoonte uuringutest seni kõige tugevam piirang. Veelgi olulisem on see, et see uus tulemus ei toeta eelnevaid väiteid statistiliselt olulise alfa muutuse kohta aja jooksul.
Huvitav on see, et seda tulemust toetab veel üks - vähem ulatuslik - analüüs, mis viidi läbi ka VLT-i UVES-spektromeetriga [2]. Ehkki need tähelepanekud käsitlesid ainult ühte eredamini teadaolevat kvaasari HE 0515-4414, toetab see sõltumatu uurimus täiendavalt hüpoteesi, et alfa variatsioon puudub.
Ehkki need uued tulemused tähendavad märkimisväärset paranemist meie teadmistes ühe põhilise füüsikalise konstandi võimaliku (mitte) varieerumise kohta, võimaldaks praegune andmekogum põhimõtteliselt ikkagi variatsioone, mis on mõõtmistest tulenevatega võrreldes suhteliselt suured. Oklo loodusreaktorist. Sellegipoolest on oodata ESO 3,6-meetrise teleskoobiga Tšiilis Laoilla vaatluskeskuses uue väga ülitäpse radiaalse kiiruse spektromeetri HARPS abil edasist arengut. See spektrograaf töötab tänapäevase tehnoloogia piiril ja seda kasutatakse enamasti uute planeetide tuvastamiseks muude tähtede ümber kui Päike - see võib alfa variatsiooni määramisel pakkuda suurusjärgu paranemist.
Teisi fundamentaalseid konstante saab kvaasarite abil mõõta. Täpsemalt, uurides kauge universumi molekulaarse vesiniku lainepikkusi, saab proovida prootonite ja elektronide masside suhte muutusi. Sama meeskond tegeleb nüüd väga suure teleskoobiga nii suure uuringuga, mis peaks selle suhte jaoks enneolematuid piiranguid viima.
Algne allikas: ESO pressiteade
