Кредитна слика: ЕСО
Откривање или ограничавање могућих временских варијација основних физичких константи важан је корак ка потпуном разумијевању основне физике, а тиме и свијета у којем живимо. Корак у којем се астрофизика показује као најкориснија.
Претходна астрономска мерења константе финих структура - бездимензионални број који одређује снагу интеракција између набијених честица и електромагнетних поља - сугерисали су да се та константна константно повећава с временом. Ако се потврди, то би имало дубоке импликације на наше разумевање фундаменталне физике.
Нове студије, спроведене коришћењем УВЕС спектрографа на Куеиену, једном од 8,2 м телескопа ЕСО-овог врло великог телескопског поља у Параналу (Чиле), осигурале су нове податке без преседана. Ови подаци, у комбинацији са врло пажљивом анализом, пружили су до сада најјача астрономска ограничења у вези са могућом променом константе фине структуре. Они показују да, супротно претходним тврдњама, не постоје докази за претпоставку временске варијације ове фундаменталне константе.
Фина константа
Да би објаснили Универзум и математички га представили, научници се ослањају на такозване основне константе или фиксне бројеве. Темељни закони физике, како их ми данас схватамо, зависе од око 25 таквих константи. Добро познати примери су гравитациона константа, која дефинише снагу силе која делује између два тела, као што су Земља и Месец, и брзину светлости.
Једна од тих константи је такозвана "константа фине структуре", алфа = 1 / 137.03599958, комбинација електричног набоја електрона, Планцкове константе и брзине светлости. Константа фине структуре описује како електромагнетске силе држе атоме заједно и начин на који светлост делује са атомима.
Али да ли су ове основне физичке константе заиста константне? Да ли су ти бројеви увек исти, свуда у Универзуму и у сваком тренутку? Ово није толико наивно питање колико се можда чини. Савремене теорије фундаменталних интеракција, као што су Гранд теорија обједињавања или теорије суперверизова које третирају гравитацију и квантну механику на доследан начин, не само предвиђају зависност основних физичких константи од енергије - експерименти физике честица показали су да је фино структура константна на расту до вредности од око 1/128 при високим енергијама судара - али омогућавају њихове космолошке варијације у времену и простору. Временска зависност основних константи такође се лако може појавити ако поред три димензије простора постоје и скривене димензије.
Већ 1955. руски физичар Лев Ландау разматрао је могућност временске зависности алфе. Крајем 1960-их, Георге Гамов у Сједињеним Државама сугерисао је да набој електрона, а самим тим и алфа, може варирати. Јасно је, међутим, да такве промене, ако их има, не могу бити велике или би већ биле откривене у релативно једноставним експериментима. Праћење ових могућих промена захтева, због тога, најсофистицираније и најпрецизније технике.
Гледајући уназад у време
У ствари, већ су позната прилично снажна ограничења за могуће варијације алфа константе фине структуре. Једно такво ограничење је геолошке природе. Заснован је на мерама предузетим у древном реактору природне фисије смештеном у близини Оклоа (Габон, Западна Африка) и који је био активан пре отприлике 2.000 милиона година. Проучавањем расподјеле датог скупа елемената - изотопа ријетких Земљи, на примјер самаријума - који су настали цијепањем уранијума, можемо процијенити да ли се физички процес догодио бржим или споријим темпом него што бисмо то очекивали данас. Тако можемо измерити могућу промену вредности основне константе која овде игра, алфа. Међутим, посматрана дистрибуција елемената у складу је с прорачунима који претпостављају да је вредност алфа у то време била потпуно иста као и данас. Током две милијарде година, промена алфе мора бити мања од око 2 дела на 100 милиона. Ако су уопште присутни, то је заиста прилично мала промена.
Али шта је са променама много раније у историји Универзума?
Да бисмо то измерили морамо пронаћи средства за испитивање још даље у прошлост. Овде астрономија може помоћи. Јер, иако астрономи углавном не могу експериментирати, сам Универзум је огромна лабораторија за атомску физику. Проучавајући веома удаљене објекте, астрономи могу да се осврну кроз дуго време. На овај начин постаје могуће тестирати вредности физичких константи када је Универзум имао само 25% тренутне старости, односно пре око 10.000 милиона година.
Веома далеко светионици
Да би то учинили, астрономи се ослањају на спектроскопију - мерење својстава светлости која емитује или апсорбује материја. Када се светлост пламена опази кроз призму, види се дуга. Приликом прскања соли на пламену, различите жуте линије наносе се уобичајеним бојама дуге, такозваним емисијским линијама. Стављањем гасне ћелије између пламена и призме човек се, међутим, види тамним линијама дуге: то су апсорпционе линије. Таласна дужина ових емисионих и апсорпционих спектралних линија директно је повезана са нивоима енергије атома у соли или у гасу. Спектроскопија нам омогућава проучавање атомске структуре.
Фина структура атома може се посматрати спектроскопско као цепање одређених нивоа енергије у тим атомима. Дакле, ако би се алфа временом мењала, емитовали би се и спектри емисије и апсорпције ових атома. Један од начина да се потраже било какве промене вредности алфа током историје Универзума је, дакле, мерење спектра удаљених квазара и упоређивање дужина таласа одређених спектралних линија са данашњим вредностима.
Квази се овде користе само као светионик - пламен - у веома удаљеном Универзуму. Међузвездани облаци гаса у галаксијама, смештени између квазара и нас на истој линији вида и на удаљеностима од шест до једанаест хиљада милиона светлосних година, апсорбују делове светлости које емитују квазари. Резултирајући спектар представља тамне „долине“ које се могу приписати добро познатим елементима.
Ако се догоди да се константа фине структуре промени током времена светлости, утицај на нивое атома би био таласан, а таласне дужине апсорпционих линија би се померале за различите количине. Поређењем релативних празнина између долина и лабораторијских вриједности, могуће је израчунати алфу као функцију удаљености од нас, односно као функцију старости Универзума.
Ове мере су, међутим, изузетно деликатне и захтевају веома добро моделирање апсорпционих линија. Они такође постављају изузетно снажне захтеве за квалитетом астрономских спектра. Морају имати довољно резолуције да омогуће врло прецизно мерење ситних помака у спектрима. И довољан број фотона мора се ухватити да би се добио статистички недвосмислен резултат.
За то се астрономи морају окренути најсавременијим спектралним инструментима на највећим телескопима. Овде је ултра љубичасти и видљиви ехелле спектрограф (УВЕС) и ЕСО-ов телескоп Куеиен са 8,2 метра у Опсерваторију Паранал ненадмашан захваљујући ненадмашном спектралном квалитету и великом зрцалном подручју ове комбинације.
Стално или не?
Тим астронома [1], на челу са Патрицком Петитјеаном (Институт д'Астропхисикуе де Парис и Обсерватоире де Парис, Француска) и Рагхунатхан Срианандом (ИУЦАА Пуне, Индија) врло су пажљиво проучавали хомогени узорак од 50 апсорпционих система посматраних са УВЕС и Куеиен дуж 18 далеких квазарских линија вида. Они су снимили спектар квазара током укупно 34 ноћи да би постигли највећу могућу спектралну резолуцију и најбољи однос сигнал-шум. Примењене су софистициране аутоматске процедуре посебно дизајниране за овај програм.
Поред тога, астрономи су користили опсежне симулације како би показали да могу правилно да моделирају линијске профиле како би повратили могућу варијацију алфа.
Резултат ове опсежне студије је да током последњих 10.000 милиона година, релативна варијација алфе мора бити мања од 0,6 дела на милион. Ово је најјаче ограничење од досадашњих студија квадрата апсорпције. Што је још важније, овај нови резултат не подржава претходне тврдње о статистички значајној промени алфе са временом.
Занимљиво је да овај резултат подржава и друга - мање опсежна - анализа, такође спроведена са УВЕС спектрометром на ВЛТ [2]. Иако су се та опажања односила само на један од најсјајнијих познатих квазара ХЕ 0515-4414, ова независна студија додатно подупире хипотезу о непромењивању алфа.
Иако ови нови резултати представљају значајно побољшање нашег сазнања о могућој (не) варијацији једне од основних физичких константи, садашњи скуп података би у принципу и даље омогућавао варијације које су релативно велике у поређењу с онима које су резултат мерења. из природног реактора Окло. Без обзира на то, очекује се даљи напредак у овом пољу с новим високо-тачним радијалним спектрометром за брзину ХАРПС на ЕСО-овом 3,6-метарском телескопу у Опсерваторију Ла Силла (Чиле). Овај спектрограф делује на граници савремене технологије и углавном се користи за откривање нових планета око звезда осим Сунца - може да обезбеди редослед побољшања у одређивању варијације алфа.
Друге основне константе могу се испитивати помоћу квазара. Конкретно, проучавањем таласних дужина молекулског водоника у удаљеном Универзуму, може се испитати варијације у односу између маса протона и електрона. Исти тим је сада ангажован у тако великом истраживању са Веома великим телескопом који би требало да доведе до невиђених ограничења у овом односу.
Изворни извор: ЕСО Невс Релеасе
