Vaizdo kreditas: ESO
Galimų pagrindinių fizinių konstantų laiko kitimo nustatymas ar suvaržymas yra svarbus žingsnis link visapusiškos pagrindinės fizikos, taigi ir pasaulio, kuriame gyvename, supratimo. Žingsnis, kuriame astrofizika yra naudingiausia.
Ankstesni astronominiai smulkiosios struktūros konstantos matavimai - be matmenų skaičius, kuris nustato sąveikų tarp įkrautų dalelių ir elektromagnetinių laukų stiprumą - parodė, kad ši konkreti konstanta laikui bėgant labai didėja. Jei tai patvirtins, tai turės labai didelę įtaką mūsų pagrindinės fizikos supratimui.
Nauji tyrimai, atlikti naudojant UVES spektrografą Kueyen, viename iš 8,2 m teleskopo ESO labai didelio teleskopo masyvo Paranalyje (Čilė), užtikrino, kad beprecedentės kokybės duomenys būtų nauji. Šie duomenys kartu su labai kruopščia analize pateikė stipriausius astronominius apribojimus dėl galimo baudos struktūros konstantos kitimo. Jie rodo, kad, priešingai nei ankstesni teiginiai, nėra įrodymų, leidžiančių manyti, kad šios pagrindinės konstantos laikas kinta.
Puiki konstanta
Norėdami paaiškinti Visatą ir ją atvaizduoti matematiškai, mokslininkai remiasi vadinamosiomis pagrindinėmis konstantomis arba fiksuotaisiais skaičiais. Pagrindiniai fizikos dėsniai, kaip mes juos dabar suprantame, priklauso nuo maždaug 25 tokių konstantų. Žinomi pavyzdžiai yra gravitacinė konstanta, apibrėžianti jėgos, veikiančios tarp dviejų kūnų, tokių kaip Žemė ir Mėnulis, stiprumą ir šviesos greitį.
Viena iš šių konstantų yra vadinamoji „smulkiosios struktūros konstanta“, alfa = 1 / 137.03599958, elektrono elektrinio krūvio, Planko konstantos ir šviesos greičio derinys. Smulkiosios struktūros konstanta apibūdina, kaip elektromagnetinės jėgos laiko atomus kartu ir kaip šviesa sąveikauja su atomais.
Bet ar šios pagrindinės fizinės konstantos iš tikrųjų yra pastovios? Ar tie skaičiai visada yra vienodi visur, Visatoje ir visais laikais? Tai nėra toks naivus klausimas, kaip gali pasirodyti. Šiuolaikinės pagrindinių sąveikų teorijos, tokios kaip Didžioji unifikacijos teorija arba super-stygų teorijos, nuosekliai traktuojančios gravitaciją ir kvantinę mechaniką, ne tik numato pagrindinių fizinių konstantų priklausomybę nuo energijos - dalelių fizikos eksperimentai parodė, kad smulkiosios struktūros vertė yra pastovi iki išaugs iki maždaug 1/128 vertės esant didelėms susidūrimo energijoms, tačiau atsižvelkite į jų kosmologinius laiko ir erdvės pokyčius. Pagrindinių konstantų laiko priklausomybė taip pat lengvai atsiras, jei be trijų erdvės matmenų yra ir daugiau paslėptų matmenų.
Jau 1955 m. Rusų fizikas Levas Landau svarstė galimybę priklausyti nuo alfa laiko. Septintojo dešimtmečio pabaigoje George'as Gamowas JAV pasiūlė, kad elektronų, taigi ir alfa, krūvis gali skirtis. Tačiau akivaizdu, kad tokie pokyčiai, jei tokių yra, negali būti dideli arba jie jau būtų buvę aptikti palyginti paprastuose eksperimentuose. Taigi norint sekti šiuos galimus pokyčius, reikia tobuliausių ir tiksliausių metodų.
Žvelgiant atgal į laiką
Tiesą sakant, jau yra žinoma, kad galimi smulkiosios struktūros konstantos alfa pokyčiai yra gana stiprūs. Vienas iš tokių suvaržymų yra geologinio pobūdžio. Jis pagrįstas priemonėmis, kurių buvo imtasi senoviniame natūraliojo dalijimosi reaktoriuje, esančiame netoli Oklo (Gabonas, Vakarų Afrika) ir kuris veikė maždaug prieš 2000 milijonų metų. Ištyrus tam tikro elementų rinkinio - retųjų žemių izotopų, pvz., Samario -, kurie buvo gaminami dalijant uraną, pasiskirstymą, galima įvertinti, ar fizinis procesas įvyko spartesniu, ar lėtesniu tempu, nei mes tikėtumėmės. šiais laikais. Taigi čia, alfa, galime išmatuoti galimą pagrindinės konstantos vertės pokytį. Tačiau pastebėtas elementų pasiskirstymas atitinka skaičiavimus, darant prielaidą, kad tuo metu alfa reikšmė buvo tiksliai tokia pati kaip šiandien. Taigi per 2 milijardus metų alfa pokyčiai turi būti mažesni nei maždaug 2 dalys iš 100 milijonų. Jei tokių iš viso yra, tai iš tikrųjų yra gana mažas pokytis.
Bet kaip su pokyčiais daug anksčiau Visatos istorijoje?
Norėdami tai išmatuoti, turime rasti būdų dar labiau pažinti praeitį. Čia gali padėti astronomija. Nes nors astronomai paprastai negali atlikti eksperimentų, pati Visata yra didžiulė atominės fizikos laboratorija. Tyrinėdami labai atokius objektus, astronomai gali žiūrėti atgal per ilgą laiko tarpą. Tokiu būdu tampa įmanoma patikrinti fizinių konstantų vertes, kai Visata turėjo tik 25% dabartinio amžiaus, tai yra maždaug prieš 10 000 milijonų metų.
Labai toli švyturiai
Norėdami tai padaryti, astronomai pasikliauja spektroskopija - medžiagos skleidžiamos ar sugeriamos šviesos savybių matavimu. Stebint liepsną iš prizmės, matoma vaivorykštė. Laistydami druską ant liepsnos, įprastos vaivorykštės spalvos, vadinamosios išmetimo linijos, yra užrašytos skirtingomis geltonomis linijomis. Tarp liepsnos ir prizmės padėjus dujų kamerą, ant vaivorykštės matomos tamsios linijos: tai yra absorbcijos linijos. Šių emisijos ir absorbcijos spektrų bangų ilgis yra tiesiogiai susijęs su druskos ar dujų atomų energijos lygiais. Taigi spektroskopija leidžia ištirti atominę struktūrą.
Smulki atomų struktūra gali būti stebima spektroskopiškai kaip tam tikrų energijos atomų pasiskirstymas tuose atomuose. Taigi, jei alfa laikui bėgant keistųsi, pasikeistų ir šių atomų emisijos ir absorbcijos spektrai. Todėl vienas iš būdų ieškoti alfa vertės pokyčių per Visatos istoriją yra išmatuoti tolimųjų kvazarų spektrus ir palyginti tam tikrų spektrinių linijų bangų ilgius su šių dienų vertėmis.
Kvazarai čia naudojami tik kaip švyturys - liepsna - pačioje tolimiausioje Visatoje. Tarpžvaigždiniai dujų debesys galaktikose, esantys tarp kvazarų ir mūsų toje pačioje regėjimo linijoje ir nuo šešerių iki vienuolikos tūkstančių milijonų šviesmečių atstumu, sugeria kvazarų skleidžiamos šviesos dalis. Gautas spektras parodo tamsius „slėnius“, kuriuos galima priskirti gerai žinomiems elementams.
Jei smulkiosios struktūros konstanta pasikeis per šviesos kelionę, tai turės įtakos energijos lygiui atomais, o absorbcijos linijų bangos ilgiai pasislinks skirtingais kiekiais. Palyginus santykinius slėnius tarp slėnių ir laboratorines vertes, galima apskaičiuoti alfa kaip atstumo nuo mūsų funkciją, tai yra kaip Visatos amžiaus funkciją.
Tačiau šios priemonės yra labai subtilios ir reikalauja labai gero absorbcijos linijų modeliavimo. Jie taip pat kelia nepaprastai griežtus reikalavimus astronominių spektrų kokybei. Jie turi turėti pakankamai skiriamąją gebą, kad būtų galima labai tiksliai išmatuoti spektro smulkius poslinkius. Ir norint gauti statistiškai vienareikšmį rezultatą, reikia užfiksuoti pakankamą skaičių fotonų.
Tam astronomai turi kreiptis į pažangiausius spektrinius prietaisus ant didžiausių teleskopų. Ypač neprilygstamas ultravioletinės ir matomosios echelle spektrografas (UVES) ir ESO „Kueyen“ 8,2 m teleskopas Paranalio observatorijoje yra neprilygstamas dėl neprilygstamos spektro kokybės ir didelio šio derinio surinkimo veidrodžio ploto.
Pastovi, ar ne?
Astronomų komanda [1], vadovaujama Patriko Petitjeano (Paryžiaus institutas ir Paryžiaus observatorija, Prancūzija) ir Raghunathano Srianando (IUCAA Pune, Indija) labai kruopščiai ištyrė homogeninį 50 absorbcijos sistemų, stebėtų UVES ir Kueyen, pavyzdį. išilgai 18 tolimų kvazarų regos linijų. Jie užfiksavo kvazarų spektrus iš viso 34 naktimis, kad būtų pasiekta didžiausia įmanoma spektrinė skiriamoji geba ir geriausias signalo bei triukšmo santykis. Buvo pritaikytos sudėtingos automatinės procedūros, specialiai sukurtos šiai programai.
Be to, astronomai naudojo išsamius modeliavimus, kad parodytų, kad jie gali teisingai modeliuoti linijų profilius, kad atkurtų galimą alfa variaciją.
Šio plataus tyrimo rezultatas yra tas, kad per pastaruosius 10 000 milijonų metų santykinis alfa pokytis turi būti mažesnis nei 0,6 milijono dalių. Tai yra griežčiausias iki šiol atliktas kvazaro absorbcijos linijų tyrimas. Dar svarbiau, kad šis naujas rezultatas nepalaiko ankstesnių teiginių apie statistiškai reikšmingą alfa pokyčius laikui bėgant.
Įdomu tai, kad šį rezultatą patvirtina kita - ne tokia išsami - analizė, taip pat atlikta naudojant UVLT spektrometrą VLT [2]. Nors šie pastebėjimai buvo susiję tik su vienu ryškiausių žinomų kvazarų HE 0515–4414, šis nepriklausomas tyrimas patvirtina hipotezę, kad alfa variacija nekinta.
Nors šie nauji rezultatai reikšmingai pagerina mūsų žinias apie galimą (ne) vienos iš pagrindinių fizinių konstantų kitimą, esamas duomenų rinkinys iš esmės vis tiek leistų palyginti didelius variantus, palyginti su matavimais iš Oklo gamtinio reaktoriaus. Nepaisant to, tikimasi tolesnės pažangos šioje srityje naudojant naują labai didelio tikslumo radialinio greičio spektrometrą HARPS, naudojant ESO 3,6 m teleskopą La Silla observatorijoje (Čilė). Šis spektrografas veikia ties šiuolaikinių technologijų riba ir yra daugiausiai naudojamas naujoms planetoms aptikti aplink žvaigždes, išskyrus Saulę, - tai gali padėti padidinti dydį, nustatant alfa variaciją.
Kitos pagrindinės konstantos gali būti tikrinamos naudojant kvazarus. Visų pirma, tiriant molekulinio vandenilio bangos ilgį tolimojoje Visatoje, galima išmatuoti santykį tarp protono ir elektrono masių. Ta pati komanda dabar užsiima tokiu dideliu tyrimu su labai dideliu teleskopu, kuris turėtų sukelti precedento neturintį šio santykio suvaržymą.
Originalus šaltinis: ESO žinių laida
