Kép jóváírása: ESO
Az alapvető fizikai állandók lehetséges időbeli variációinak felismerése vagy korlátozása fontos lépés az alapvető fizika és ezzel a világ, amelyben élünk, teljes megértése felé. Egy olyan lépés, amelyben az asztrofizika a leghasznosabb.
A finom szerkezeti állandó korábbi csillagászati mérései - a méretezetlen szám, amely meghatározza a töltött részecskék és az elektromágneses mezők közötti kölcsönhatások erősségét - arra utaltak, hogy ez az állandó állandó az idő múlásával kissé növekszik. Ha megerősítik, ez nagyon mély következményekkel jár az alapvető fizika megértésében.
Az ESES nagyon nagy teleszkóp-sorozatának 8,2 méteres távcsövével, a Kueyen-en végzett, az ESES nagyon nagy távcsöves tömbjének egyik, 8,2 méteres távcsövével, az új vizsgálatok példátlan minőségű új adatokat biztosítottak. Ezek az adatok egy nagyon óvatos elemzéssel kombinálva biztosítják a mai napig a legerősebb csillagászati korlátokat a finomszerkezeti állandó esetleges változásának. Megmutatják, hogy a korábbi állításokkal ellentétben nincs bizonyíték ezen alapvető állandó állandó időbeli változásának feltételezésére.
Finom állandó
Az univerzum magyarázatához és matematikai ábrázolásához a tudósok az úgynevezett alapvető állandókra vagy rögzített számokra támaszkodnak. A fizika alapvető törvényei, amint azokat jelenleg megértjük, körülbelül 25 ilyen állandótól függenek. Jól ismert példák a gravitációs állandó, amely meghatározza a két test, például a Föld és a Hold között működő erő erősségét és a fény sebességét.
Ezen állandók egyike az úgynevezett „finomszerkezeti állandó”, alfa = 1 / 137,03599958, az elektron elektromos töltésének, a Planck-állandónak és a fénysebességnek a kombinációja. A finom szerkezeti állandó leírja, hogy az elektromágneses erők miként tartják az atomokat együtt, és a fény kölcsönhatásának az atomokkal való kölcsönhatását.
De vajon ezek az alapvető fizikai állandók állandóak-e? Ezek a számok mindig azonosak, az egész világegyetemben és mindenkor? Ez nem olyan naiv kérdés, mint amilyennek tűnhet. Az alapvető interakciók kortárs elméletei, például a Grand Unifikációs Elmélet vagy a szuperhúr-elméletek, amelyek következetesen kezelik a gravitációt és a kvantummechanikát, nem csak az alapvető fizikai állandók energiától való függését sugallják - a részecskefizikai kísérletek megmutatták, hogy a finom szerkezet állandó. magas ütközési energiákkal körülbelül 1/128 értékre növekednek, de figyelembe kell venni kozmológiai idő- és térbeli változásaikat. Az alapvető állandók időfüggése akkor is könnyen felmerülhet, ha a három térdimenzió mellett több rejtett dimenzió létezik.
Az orosz fizikus, Lev Landau már 1955-ben fontolóra vette az alfa időfüggésének lehetőségét. Az 1960-as évek végén, George Gamow az Egyesült Államokban javasolta, hogy az elektron, és ezért az alfa töltése is változhat. Világos azonban, hogy az ilyen változások, ha vannak ilyenek, nem lehetnek nagyok, vagy ezeket már viszonylag egyszerű kísérletek során észlelték volna. E lehetséges változások nyomon követése tehát a legkifinomultabb és legpontosabb technikákat igényli.
Visszatekintve az időre
Valójában már ismert, hogy meglehetősen erős korlátok vannak a finom szerkezetű alfa-állandó lehetséges variációjára. Az egyik ilyen korlátozás geológiai természetű. Ez az Oklo közelében (Gabon, Nyugat-Afrika) található ősi természetes hasadási reaktorban tett intézkedésekre épül, amely körülbelül 2000 millió évvel ezelőtt volt aktív. Az urán hasadásával előállított elemcsoport - a ritkaföldfémek, például a szamárium izotópjai - eloszlásának tanulmányozásával megbecsülhető, hogy a fizikai folyamat gyorsabban vagy lassabban zajlott-e, mint azt várnánk. Manapság. Így itt meg lehet mérni az alapját képező állandó állandó értékének lehetséges változását, alfa. Az elemek megfigyelt eloszlása azonban összhangban van a számításokkal, feltételezve, hogy az alfa akkori értéke pontosan megegyezett a mai értékkel. A 2 milliárd év alatt ezért az alfa-változásnak kevesebbnek kell lennie, mint körülbelül 2 rész 100 millióra. Ha egyáltalán jelen van, akkor ez valóban meglehetősen kis változás.
De mi lenne a sokkal korábbi változásokkal az univerzum történetében?
Ennek mérésére meg kell találnunk az eszközöket, hogy még tovább vizsgáljuk a múltot. És itt segíthet a csillagászat. Mivel annak ellenére, hogy a csillagászok általában nem tudnak kísérleteket végezni, maga az Univerzum egy hatalmas atomfizikai laboratórium. Nagyon távoli tárgyak tanulmányozásával a csillagászok hosszú távra tekinthetnek vissza. Ilyen módon tesztelhetővé válnak a fizikai állandók értékei, amikor az Univerzumnak csak a jelenkor 25% -a volt, azaz körülbelül 10 000 millió évvel ezelőtt.
Nagyon messze a jelek
Ehhez a csillagászok spektroszkópiára támaszkodnak - az anyag által kibocsátott vagy abszorbeált fény tulajdonságainak mérésére. Amikor a láng fényét prizmán keresztül figyelik meg, szivárvány látható. Amikor a sót a lángra szórják, a szivárvány szokásos színére, az úgynevezett emissziós vonalra különálló sárga vonalak kerülnek egymásra. Gázcellát helyezve a láng és a prizma közé, láthat azonban sötét vonalakat a szivárványon: ezek abszorpciós vonalak. Ezeknek az emissziós és abszorpciós spektrumoknak a hullámhossza közvetlenül kapcsolódik a sóban vagy a gázban lévő atomok energiaszintjéhez. A spektroszkópia tehát lehetővé teszi az atomszerkezet tanulmányozását.
Az atomok finom szerkezete spektroszkópikusan megfigyelhető, mint az egyes atomszintek bizonyos energiaszintjének megoszlása. Tehát, ha az alfa idővel megváltozik, ezen atomok emissziós és abszorpciós spektrumai is megváltoznak. Ezért az egyik módja az alfa-érték változásának az univerzum történetében való megfigyelésének a távoli kvazárok spektrumainak mérése, és egyes spektrumvonalak hullámhosszainak összehasonlítása a mai értékekkel.
A kvazárokat csak a legtávolabbi univerzumban jeladóként - lángként - használják. A galaxisokban lévő csillagközi gázfelhők, amelyek a kvazárok és mi között helyezkednek el ugyanazon a látóvonalon, és hat-tól tizenegy ezer millió fényév távolságra, elnyelik a kvazárok által kibocsátott fény egy részét. A kapott spektrum következésképpen sötét „völgyeket” mutat, amelyeket a jól ismert elemeknek tulajdoníthatunk.
Ha a finom szerkezetű állandó megváltozik a fény útja során, akkor az atomok energiaszintjei befolyásolódnak, és az abszorpciós vonalak hullámhosszai eltérő mértékben eltolódnak. Ha összehasonlítjuk a völgyek közötti relatív különbségeket a laboratóriumi értékekkel, kiszámolhatjuk az alfa-t a távolság függvényében, vagyis az univerzum korának függvényében.
Ezek az intézkedések azonban rendkívül kényesek és megkövetelik az abszorpciós vonalak nagyon jó modellezését. Rendkívül szigorú követelményeket támasztanak a csillagászati spektrumok minőségére is. Elegendő felbontással kell rendelkezniük a spektrumok apró eltolódásának nagyon pontos méréséhez. És statisztikailag egyértelmű eredmény eléréséhez elegendő számú fotont kell rögzíteni.
Ehhez a csillagászoknak a legnagyobb távcsövek legfejlettebb spektrális műszereire kell fordulniuk. Ebben a kombinációban a páratlan spektrumminőségnek és a nagy gyűjtő tükörnek köszönhetően verhetetlen az ultraibolya és a látható Echelle spektrográf (UVES) és az ESO Kueyen 8,2 m-es távcsője a Paranal Obszervatóriumban.
Állandó vagy sem?
Csillagászok csoportja [1], Patrick Petitjean (Párizsi Intézet és Párizsi Observatoire de Paris, Franciaország) és Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, India) vezetésével, nagyon óvatosan tanulmányozta az UVES és a Kueyen által megfigyelt 50 abszorpciós rendszer homogén mintáját. 18 távoli kvazár látóvonal mentén. Összesen 34 éjszaka rögzítették a kvazárok spektrumát, hogy elérjék a lehető legnagyobb spektrális felbontást és a legjobb jel-zaj arányt. Kifejezetten erre a programra kifejlesztett kifinomult automatikus eljárásokat alkalmaztak.
Ezen felül az csillagászok kiterjedt szimulációkkal mutatták be, hogy meg tudják mutatni a vonalprofilok helyes modellezését az alfa-változat esetleges variációinak visszanyerésére.
Ennek a kiterjedt tanulmánynak az eredménye az, hogy az elmúlt 10 000 millió évben az alfa relatív variációjának kevesebbnek kell lennie, mint 0,6 ppm. Ez a kvazar abszorpciós vonalakkal végzett tanulmányok eddig a legerősebb korlátozása. Ennél is fontosabb, hogy ez az új eredmény nem támasztja alá az korábbi állításokat az statisztikailag szignifikáns alfaváltozásról az idő függvényében.
Érdekes módon ezt az eredményt egy másik - kevésbé kiterjedt - elemzés támasztja alá, amelyet szintén a VLT UVES spektrométerével végeztek [2]. Annak ellenére, hogy ezek a megfigyelések csak a HE 0515-4414 egyik legszembetűnőbb kvazárra vonatkoztak, ez a független tanulmány további alátámasztást nyújt az alfa-változatosság hiányának feltételezésére.
Annak ellenére, hogy ezek az új eredmények jelentõs javulást jelentenek az alapvetõ fizikai állandók lehetséges (nem) variációinak ismeretében, a jelenlegi adatkészlet elvben továbbra is megengedi a variációkat, amelyek viszonylag nagyok a változásokkal, mint a mérések eredményeként az Oklo természetes reaktorból. Ennek ellenére további haladás várható ezen a téren az új, nagyon nagy pontosságú sugársebesség-spektrométer HARPS segítségével az ESO 3,6 méteres távcsövein a La Silla obszervatóriumban (Chile). Ez a spektrográf a modern technológia határain működik, és főként az új bolygók detektálására szolgál, a csillagok körül, a Napon kívül - nagyságrendű javulást nyújthat az alfa-variáció meghatározásakor.
Más alapvető állandók kvazárok segítségével vizsgálhatók. Különösen a távoli univerzumban a molekuláris hidrogén hullámhosszának vizsgálatával meg lehet vizsgálni a proton és az elektron tömege közötti arány változásait. Ugyanez a csapat vesz részt egy ilyen nagy felmérésben a Nagyon Nagy Távcsővel, amelynek példátlan korlátozásokhoz kellene vezetnie ezt az arányt.
Eredeti forrás: az ESO sajtóközleménye
