Obrazový kredit: ESO
Zisťovanie alebo obmedzovanie možných časových variácií základných fyzikálnych konštánt je dôležitým krokom k úplnému pochopeniu základnej fyziky, a teda aj sveta, v ktorom žijeme. Krok, v ktorom sa astrofyzika ukáže ako najužitočnejšia.
Predchádzajúce astronomické merania konštanty jemnej štruktúry - bezrozmerné číslo, ktoré určuje silu interakcií medzi nabitými časticami a elektromagnetickými poľami - naznačujú, že táto konkrétna konštanta sa časom veľmi mierne zvyšuje. Ak by sa to potvrdilo, malo by to veľmi hlboké dôsledky pre naše pochopenie základnej fyziky.
Nové štúdie uskutočnené pomocou UVES spektrografu na Kueyene, jednom z 8,2-metrových ďalekohľadov ESO veľmi veľkého ďalekohľadového poľa v Paranale (Chile), zabezpečili nové údaje s bezprecedentnou kvalitou. Tieto údaje v kombinácii s veľmi starostlivou analýzou poskytli doteraz najsilnejšie astronomické obmedzenia možnej zmeny konštanty jemnej štruktúry. Ukazujú, že na rozdiel od predchádzajúcich tvrdení neexistujú dôkazy o predpokladoch časovej variácie tejto základnej konštanty.
Jemná konštanta
Aby vysvetlili vesmír a matematicky ho reprezentovali, vedci sa spoliehajú na takzvané základné konštanty alebo fixné čísla. Základné fyzikálne zákony, ako ich v súčasnosti chápeme, závisia od asi 25 takýchto konštánt. Známe príklady sú gravitačná konštanta, ktorá definuje silu sily pôsobiacej medzi dvoma telesami, napríklad Zem a Mesiac, a rýchlosť svetla.
Jednou z týchto konštánt je takzvaná „konštanta jemnej štruktúry“, alfa = 1 / 137,03599958, kombinácia elektrického náboja elektrónu, Planckovej konštanty a rýchlosti svetla. Konštanta jemnej štruktúry opisuje, ako elektromagnetické sily držia atómy pohromade a ako svetlo interaguje s atómami.
Sú však tieto základné fyzikálne konštanty skutočne konštantné? Sú tieto čísla vždy rovnaké, všade vo vesmíre a vždy? Nie je to taká naivná otázka, ako by sa mohlo zdať. Súčasné teórie základných interakcií, ako je teória Veľkého zjednotenia alebo superstrunné teórie, ktoré konzistentne zaobchádzajú s gravitačnou a kvantovou mechanikou, nielen predpovedajú závislosť základných fyzikálnych konštánt od energie - experimenty s fyzikou častíc ukázali, že jemná štruktúra je konštantná rastú na hodnotu približne 1/128 pri vysokých energiách kolízie - ale umožňujú ich kozmologické zmeny času a priestoru. Časová závislosť základných konštánt by tiež mohla ľahko vzniknúť, ak popri troch rozmeroch priestoru existujú aj viac skrytých rozmerov.
Už v roku 1955 ruský fyzik Lev Landau zvažoval možnosť časovej závislosti alfa. Koncom 60. rokov George Gamow v Spojených štátoch naznačil, že náboj elektrónu, a teda aj alfa, sa môže líšiť. Je však zrejmé, že také zmeny, ak nejaké existujú, nemôžu byť veľké alebo by už boli zistené v porovnateľne jednoduchých experimentoch. Sledovanie týchto možných zmien si preto vyžaduje naj sofistikovanejšie a najpresnejšie techniky.
Pri pohľade späť v čase
V skutočnosti už sú známe dosť silné obmedzenia možnej variácie konštanty alfa jemnej štruktúry. Jedným takým obmedzením je geologický charakter. Je založená na opatreniach prijatých v starom prírodnom štiepnom reaktore, ktorý sa nachádza neďaleko Okla (Gabon, západná Afrika) a ktorý bol aktívny približne pred 2 000 miliónmi rokov. Študovaním distribúcie daného súboru prvkov - izotopov vzácnych zemín, napríklad samária - ktoré boli vyrobené štiepením uránu, je možné odhadnúť, či sa fyzický proces odohrával rýchlejšie alebo pomalšie, ako by sme očakávali. v dnešnej dobe. Takto môžeme zmerať možnú zmenu hodnoty základnej konštanty pri hre, alfa. Pozorované rozdelenie prvkov je však v súlade s výpočtami za predpokladu, že hodnota alfa v tom čase bola presne rovnaká ako dnešná hodnota. V priebehu 2 miliárd rokov musí byť preto zmena alfa menšia ako približne 2 časti na 100 miliónov. Ak je vôbec prítomná, je to skutočne malá zmena.
Ale čo zmeny oveľa skôr v histórii vesmíru?
Na to, aby sme to mohli zmerať, musíme nájsť prostriedky, ktoré by dokázali skúmať ešte ďalej do minulosti. A tu môže astronómia pomôcť. Pretože hoci astronómovia vo všeobecnosti nemôžu experimentovať, samotný vesmír je obrovské laboratórium atómovej fyziky. Štúdiom veľmi vzdialených objektov sa môžu astronómovia pozerať späť na dlhé obdobie. Týmto spôsobom je možné testovať hodnoty fyzikálnych konštánt, keď vesmír mal iba 25% súčasného veku, teda pred asi 10 000 miliónmi rokov.
Majáky veľmi ďaleko
Astronómovia sa pri tom spoliehajú na spektroskopiu - na meranie vlastností svetla emitovaného alebo absorbovaného látkou. Keď je svetlo z plameňa pozorované hranolom, je vidieť dúhu. Pri posypávaní soľou do plameňa sa na obvyklé farby dúhy, tzv. Emisné čiary, prekrývajú zreteľné žlté čiary. Keď vložíme plynovú komoru medzi plameň a hranol, uvidíme na dúhe tmavé čiary: sú to absorpčné čiary. Vlnová dĺžka týchto línií emisných a absorpčných spektier je priamo úmerná hladinám energie atómov v soli alebo v plyne. Spektroskopia nám teda umožňuje študovať atómovú štruktúru.
Jemnú štruktúru atómov je možné pozorovať spektroskopicky ako rozdelenie určitých energetických úrovní v týchto atómoch. Ak by sa alfa časom zmenilo, zmenili by sa aj emisné a absorpčné spektrá týchto atómov. Jedným zo spôsobov, ako hľadať akékoľvek zmeny hodnoty alfa v histórii vesmíru, je preto zmerať spektrá vzdialených kvasarov a porovnať vlnové dĺžky určitých spektrálnych čiar s dnešnými hodnotami.
Kvazary sa tu používajú iba ako maják - plameň - vo veľmi vzdialenom vesmíre. Medzihviezdne oblaky plynu v galaxiách, ktoré sa nachádzajú medzi kvazármi a nami na rovnakom zornom uhle a vo vzdialenostiach od šiestich do jedenásť tisíc miliónov svetelných rokov, absorbujú časti svetla emitovaného kvazármi. Výsledné spektrum následne predstavuje tmavé „údolia“, ktoré možno pripísať známym prvkom.
Ak sa konštanta jemnej štruktúry zmení počas trvania cesty svetla, ovplyvnia sa hladiny energie v atómoch a vlnové dĺžky absorpčných línií sa posunú o rôzne množstvá. Porovnaním relatívnych medzier medzi údoliami a laboratórnymi hodnotami je možné vypočítať alfa ako funkciu vzdialenosti od nás, tj ako funkciu veku vesmíru.
Tieto opatrenia sú však mimoriadne chúlostivé a vyžadujú si veľmi dobré modelovanie absorpčných línií. Taktiež kladú mimoriadne vysoké požiadavky na kvalitu astronomického spektra. Musia mať dostatočné rozlíšenie, aby umožnili veľmi presné meranie nepatrných posunov v spektrách. A aby sa dosiahol štatisticky jednoznačný výsledok, musí sa zachytiť dostatočný počet fotónov.
Za týmto účelom sa musia astronómovia obracať na najmodernejšie spektrálne prístroje na najväčších ďalekohľadoch. To je miesto, kde je ultrafialový a viditeľný echelle spektrograf (UVES) a ďalekohľad ESO Kueyen 8,2 mv observatóriu Paranal vďaka bezkonkurenčnej spektrálnej kvalite a veľkej zbernej zrkadlovej oblasti tejto kombinácie bezkonkurenčný.
Konštantné alebo nie?
Tím astronómov [1], vedený Patrickom Petitjeanom (Institut d'Astrophysique de Paris a Observatoire de Paris, France) a Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, India), veľmi starostlivo študoval homogénnu vzorku 50 absorpčných systémov pozorovaných pri UVES a Kueyen. pozdĺž 18 vzdialených zorných čiar kvasarov. Zaznamenali spektrá kvasarov za celkom 34 nocí, aby sa dosiahlo najvyššie možné spektrálne rozlíšenie a najlepší pomer signál-šum. Boli použité sofistikované automatické postupy špeciálne navrhnuté pre tento program.
Astronómovia navyše použili rozsiahle simulácie, aby ukázali, že dokážu správne modelovať profily čiar, aby získali možnú variáciu alfa.
Výsledkom tejto rozsiahlej štúdie je, že za posledných 10 000 miliónov rokov musí byť relatívna variabilita alfa menšia ako 0,6 ppm. Toto je doteraz najsilnejšie obmedzenie zo štúdií absorpčných línií kvazaru. A čo je dôležitejšie, tento nový výsledok nepodporuje predchádzajúce tvrdenia o štatisticky významnej zmene alfa v čase.
Zaujímavé je, že tento výsledok je podporený ďalšou - menej rozsiahlou - analýzou, ktorá sa vykonáva aj pomocou spektrometra UVES na VLT [2]. Aj keď sa tieto pozorovania týkali iba jedného z najjasnejších známych kvazarov HE 0515-4414, táto nezávislá štúdia ďalej podporuje hypotézu, že neexistuje žiadna zmena alfa.
Aj keď tieto nové výsledky predstavujú významné zlepšenie našich vedomostí o možnej (ne) variácii jednej zo základných fyzikálnych konštánt, súčasný súbor údajov by v zásade stále umožňoval variácie, ktoré sú porovnateľne veľké v porovnaní s odchýlkami vyplývajúcimi z meraní. z prírodného reaktora Oklo. Očakáva sa však ďalší pokrok v tejto oblasti s novým vysoko presným radiálnym rýchlostným spektrometrom HARPS na 3,6 m ďalekohľadu ESO v observatóriu La Silla (Chile). Tento spektrograf pracuje na hranici moderných technológií a väčšinou sa používa na detekciu nových planét okolo hviezd iných ako Slnko - môže poskytnúť rádovo väčšie zlepšenie pri určovaní variácie alfa.
Pomocou kvasarov je možné sondovať ďalšie základné konštanty. Najmä štúdiom vlnových dĺžok molekulárneho vodíka vo vzdialenom vesmíre je možné snímať zmeny pomeru medzi hmotami protónu a elektrónu. Ten istý tím je teraz zapojený do tak veľkého prieskumu s veľmi veľkým ďalekohľadom, ktorý by mal viesť k bezprecedentným obmedzeniam tohto pomeru.
Pôvodný zdroj: ESO News Release
