Кредитний імідж: ESO
Виявлення або обмеження можливих часових варіацій основних фізичних констант є важливим кроком до повного розуміння основної фізики і, отже, світу, в якому ми живемо. Крок, на якому астрофізика виявляється найбільш корисною.
Попередні астрономічні вимірювання постійної тонкої структури - безрозмірне число, яке визначає силу взаємодій між зарядженими частинками та електромагнітними полями - припустили, що ця конкретна константа з часом дуже незначно зростає. Якщо це підтвердиться, це матиме дуже глибокі наслідки для нашого розуміння фундаментальної фізики.
Нові дослідження, проведені за допомогою спектрографа UVES на Kueyen, одному з 8,2-метрових телескопів дуже великого телескопа ESO в Параналі (Чилі), забезпечили нові дані безпрецедентної якості. Ці дані в поєднанні з дуже ретельним аналізом дали найсильніші на сьогодні астрономічні обмеження щодо можливої зміни константи тонкої структури. Вони показують, що, всупереч попереднім твердженням, не існує жодних доказів для припущення часової зміни цієї фундаментальної константи.
Тонка константа
Щоб пояснити Всесвіт і представити його математично, вчені покладаються на так звані фундаментальні константи або фіксовані числа. Основні закони фізики, як ми їх зараз розуміємо, залежать приблизно від 25 таких констант. Добре відомими прикладами є гравітаційна константа, яка визначає силу сили, що діє між двома тілами, наприклад Землею і Місяцем, і швидкість світла.
Однією з таких констант є так звана «константа тонкої структури», альфа = 1 / 137.03599958, поєднання електричного заряду електрона, постійної Планка та швидкості світла. Константа тонкої структури описує, як електромагнітні сили утримують атоми разом і спосіб взаємодії світла з атомами.
Але чи справді ці фундаментальні фізичні константи є постійними? Чи завжди ці числа однакові, скрізь у Всесвіті та в усі часи? Це не наївне питання, як може здатися. Сучасні теорії фундаментальних взаємодій, такі як теорія Великого Об’єднання або теорії надструнної обробки, які трактують гравітацію та квантову механіку послідовно, не лише прогнозують залежність фундаментальних фізичних констант від енергії - експерименти з фізики частинок показали, що тонка структура постійної до зростають до значення приблизно 1/128 при високих енергіях зіткнення, але враховують їх космологічні зміни часу та простору. Часова залежність основних констант також може виникнути, якщо, крім трьох просторів, існуватимуть ще приховані розміри.
Вже в 1955 році російський фізик Лев Ландау розглядав можливість часової залежності альфа. Наприкінці 1960-х Джордж Ґамов у США припустив, що заряд електрона, а отже, і альфи, може змінюватися. Зрозуміло, однак, що такі зміни, якщо такі є, не можуть бути великими, або вони вже були б виявлені в порівняно простих експериментах. Відстеження цих можливих змін, таким чином, вимагає найскладніших і точних методів.
Озираючись назад у часі
Насправді вже відомі досить сильні обмеження для можливої зміни константи тонкої структури альфа. Одне таке обмеження має геологічний характер. Він заснований на заходах, проведених у стародавньому реакторі природного поділу, розташованому поблизу Окло (Габон, Західна Африка) і який діяв приблизно 2 000 мільйонів років тому. Вивчаючи розподіл заданого набору елементів - ізотопів рідкісних земель, наприклад самарію, - які були отримані в результаті поділу урану, можна оцінити, чи відбувся фізичний процес швидшими або повільнішими темпами, ніж ми очікували цього нині. Таким чином, ми можемо виміряти можливу зміну значення основної константи при грі тут, альфа. Однак спостережуваний розподіл елементів узгоджується з розрахунками, припускаючи, що значення альфа в той час було точно таким же, як і сьогодні значення. Тому протягом 2 мільярдів років зміна альфа повинна бути меншою, ніж приблизно 2 частини на 100 мільйонів. Якщо це взагалі присутнє, це справді досить невеликі зміни.
А як щодо змін набагато раніше в історії Всесвіту?
Для того, щоб виміряти це, ми повинні знайти засоби для дослідження ще далі в минуле. І ось тут може допомогти астрономія. Тому що, хоча астрономи взагалі не можуть робити експерименти, сама Всесвіт - це величезна лабораторія атомної фізики. Вивчаючи дуже віддалені об'єкти, астрономи можуть оглянути назад протягом тривалого періоду. Таким чином стає можливим перевірити значення фізичних констант, коли у Всесвіті було лише 25% теперішнього віку, тобто близько 10 000 мільйонів років тому.
Дуже далеко маяки
Для цього астрономи покладаються на спектроскопію - вимірювання властивостей світла, що випромінюється або поглинається речовиною. Коли світло від полум'я спостерігається крізь призму, видно веселка. При посипанні солі на полум’я чіткі жовті лінії накладаються на звичайні кольори веселки, так звані емісійні лінії. Поклавши газовий елемент між полум’ям і призмою, на радузі видно як би темні лінії: це лінії поглинання. Довжина хвилі цих ліній спектра випромінювання та поглинання безпосередньо пов'язана з рівнями енергії атомів у солі чи газі. Таким чином, спектроскопія дозволяє вивчити структуру атома.
Тонка структура атомів може спостерігатися спектроскопічно як розщеплення певних енергетичних рівнів у цих атомах. Отже, якби альфа змінилася з часом, спектри випромінювання та поглинання цих атомів також змінилися б. Одним із способів пошуку будь-яких змін значення альфа за всю історію Всесвіту є вимірювання спектрів віддалених квазарів та порівняння довжин хвиль певних спектральних ліній із сучасними значеннями.
Квазари тут використовуються лише як маяк - полум'я - у дуже далекому Всесвіті. Міжзоряні хмари газу в галактиках, розташовані між квазарами і нами на одній лінії зору і на відстанях, що змінюються від шести до одинадцяти тисяч мільйонів світлових років, поглинають частини світла, випромінюваного квазарами. Отже, отриманий спектр представляє темні "долини", які можна віднести до відомих елементів.
Якщо константа тонкої структури змінюється протягом тривалості руху світла, на енергетичні рівні в атомах впливатиме, а довжина хвиль ліній поглинання зміщуватиметься на різну кількість. Порівнюючи відносні розриви між долинами і лабораторними значеннями, можна обчислити альфа як функцію відстані від нас, тобто як функцію віку Всесвіту.
Однак ці заходи є надзвичайно делікатними і потребують дуже хорошого моделювання ліній поглинання. Вони також висувають надзвичайно високі вимоги до якості астрономічних спектрів. Вони повинні мати достатню роздільну здатність, щоб дозволяти дуже точно виміряти мізерні зрушення в спектрах. І достатньо кількості фотонів має бути зафіксовано, щоб забезпечити статистично однозначний результат.
Для цього астрономам доводиться звертатися до найсучасніших спектральних приладів на найбільших телескопах. Саме тут ультрафіолетовий та видимий спектрограф ешель (UVES) та 8,2-метровий телескоп ESO Kueyen в обсерваторії Паранал є неперевершеним, завдяки неперевершеній спектральній якості та великій площі дзеркальної колекції цієї комбінації.
Постійний чи ні?
Команда астрономів [1] на чолі з Патріком Петітьян (Інститут Паризької Астрофізики та Паризької обсерваторії де Франс) та Рагунатан Сріананд (IUCAA Пуне, Індія) дуже ретельно вивчали гомогенний зразок з 50 систем поглинання, що спостерігаються з УВЕС та Куєєна уздовж 18 далеких ліній видовища квазарів. Вони зафіксували спектри квазарів протягом всього 34 ночей, щоб досягти максимально можливого спектрального дозволу та найкращого співвідношення сигнал-шум. Були застосовані складні автоматичні процедури, спеціально розроблені для цієї програми.
Крім того, астрономи використовували широкі моделювання, щоб показати, що вони можуть правильно моделювати лінійні профілі, щоб відновити можливу зміну альфа.
Результатом цього масштабного дослідження є те, що протягом останніх 10000 мільйонів років відносна зміна альфа повинна бути менше 0,6 частини на мільйон. Це найсильніше обмеження в дослідженнях ліній поглинання квазарів на сьогоднішній день. Що ще важливіше, цей новий результат не підтримує попередні твердження про статистично значущі зміни альфа з часом.
Цікаво, що цей результат підтверджується ще одним - менш обширним - аналізом, проведеним також із спектрометром UVES на VLT [2]. Незважаючи на те, що ці спостереження стосувалися лише одного з найяскравіших відомих квазарів HE 0515-4414, це незалежне дослідження надає підтримку гіпотезі про відсутність зміни альфа.
Незважаючи на те, що ці нові результати означають значне вдосконалення наших знань про можливу (не) зміну однієї з основних фізичних констант, теперішній набір даних в принципі все-таки дозволить отримати порівняно великі варіації порівняно з тими, що отримані в результаті вимірювань. від природного реактора Окло. Тим не менше, очікується подальший прогрес у цій галузі завдяки новому високоточному радіальному спектрометру HARPS на 3,6-метровому телескопі ESO в обсерваторії Ла-Сілла (Чилі). Цей спектрограф працює на межі сучасної технології і здебільшого використовується для виявлення нових планет навколо зірок, крім Сонця - він може забезпечити порядок покращення величини щодо визначення варіації альфа.
Інші основні константи можуть бути зондовані за допомогою квазарів. Зокрема, вивчаючи довжини хвиль молекулярного водню у віддаленому Всесвіті, можна досліджувати зміни співвідношення між масами протона та електрона. Ця ж команда зараз займається таким великим опитуванням із дуже великим телескопом, яке повинно призвести до безпрецедентних обмежень щодо цього співвідношення.
Оригінальне джерело: Новини ESO
