Изображение предоставлено: ESO
Обнаружение или ограничение возможных изменений фундаментальных физических постоянных во времени является важным шагом к полному пониманию основ физики и, следовательно, мира, в котором мы живем. Шаг, в котором астрофизика оказывается наиболее полезной.
Предыдущие астрономические измерения постоянной тонкой структуры - безразмерного числа, которое определяет силу взаимодействия между заряженными частицами и электромагнитными полями - предположили, что эта конкретная постоянная очень незначительно увеличивается со временем. Если это подтвердится, это будет иметь очень глубокие последствия для нашего понимания фундаментальной физики.
Новые исследования, проведенные с использованием спектрографа UVES на Kueyen, одном из 8,2-метровых телескопов массива очень больших телескопов ESO в Паранале (Чили), позволили получить новые данные с беспрецедентным качеством. Эти данные в сочетании с очень тщательным анализом предоставили самые строгие на сегодняшний день астрономические ограничения в отношении возможного изменения постоянной тонкой структуры. Они показывают, что, вопреки предыдущим утверждениям, нет никаких доказательств для предположения об изменении во времени этой фундаментальной константы.
Прекрасная константа
Чтобы объяснить Вселенную и представить ее математически, ученые полагаются на так называемые фундаментальные константы или фиксированные числа. Фундаментальные законы физики, как мы их понимаем, зависят от примерно 25 таких констант. Хорошо известными примерами являются гравитационная постоянная, которая определяет силу силы, действующей между двумя телами, такими как Земля и Луна, и скорость света.
Одной из этих констант является так называемая «постоянная тонкой структуры», альфа = 1 / 137.03599958, комбинация электрического заряда электрона, постоянной Планка и скорости света. Константа тонкой структуры описывает, как электромагнитные силы удерживают атомы вместе и как свет взаимодействует с атомами.
Но действительно ли эти фундаментальные физические константы постоянны? Эти числа всегда одинаковы, везде во Вселенной и во все времена? Это не такой наивный вопрос, как может показаться. Современные теории фундаментальных взаимодействий, такие как теория великого объединения или теории суперструн, которые последовательно трактуют гравитацию и квантовую механику, не только предсказывают зависимость фундаментальных физических констант с энергией - эксперименты по физике элементарных частиц показали постоянную тонкой структуры расти до значения около 1/128 при высоких энергиях столкновения - но учитывают их космологические вариации времени и пространства. Зависимость фундаментальных констант от времени также может легко возникнуть, если, кроме трех пространственных измерений, существуют более скрытые измерения.
Уже в 1955 году русский физик Лев Ландау рассмотрел возможность зависимости альфа от времени. В конце 1960-х годов Джордж Гамов в Соединенных Штатах предположил, что заряд электрона, а следовательно, и альфа, может изменяться. Однако ясно, что такие изменения, если таковые имеются, не могут быть большими, или они уже были бы обнаружены в сравнительно простых экспериментах. Таким образом, отслеживание этих возможных изменений требует самых сложных и точных методов.
Оглядываясь назад во времени
Фактически, уже известно, что существуют довольно сильные ограничения для возможного изменения константы тонкой структуры альфа. Одно из таких ограничений имеет геологическую природу. Он основан на мерах, предпринятых в древнем реакторе естественного деления, расположенном недалеко от Окло (Габон, Западная Африка) и который работал примерно 2000 миллионов лет назад. Изучая распределение данного набора элементов - изотопов редкоземельных элементов, например самария, - которые были получены в результате деления урана, можно оценить, происходил ли физический процесс быстрее или медленнее, чем мы ожидали В наше время. Таким образом, мы можем измерить возможное изменение значения фундаментальной постоянной в игре, альфа. Однако наблюдаемое распределение элементов согласуется с расчетами, предполагающими, что значение альфа в то время было точно таким же, как и значение сегодня. Следовательно, в течение 2 миллиардов лет изменение альфа должно быть меньше, чем примерно 2 части на 100 миллионов. Если он вообще присутствует, то это действительно небольшое изменение.
Но как быть с изменениями, произошедшими намного раньше в истории Вселенной?
Чтобы измерить это, мы должны найти способ исследовать прошлое. И здесь астрономия может помочь. Потому что, хотя астрономы вообще не могут проводить эксперименты, сама Вселенная является огромной лабораторией атомной физики. Изучая очень отдаленные объекты, астрономы могут оглядываться назад на длительный период времени. Таким образом, становится возможным проверить значения физических констант, когда Вселенная имела только 25% нынешнего возраста, то есть около 10 000 миллионов лет назад.
Очень дальние маяки
Для этого астрономы полагаются на спектроскопию - измерение свойств света, испускаемого или поглощаемого веществом. Когда свет от пламени наблюдается через призму, радуга видна. При разбрызгивании соли на пламя четкие желтые линии накладываются на обычные цвета радуги, так называемые эмиссионные линии. Поместив газовую ячейку между пламенем и призмой, можно увидеть темные линии на радуге: это линии поглощения. Длина волны этих линий спектров излучения и поглощения напрямую связана с энергетическими уровнями атомов в соли или в газе. Таким образом, спектроскопия позволяет нам изучать строение атома.
Тонкая структура атомов может наблюдаться спектроскопически как расщепление определенных энергетических уровней в этих атомах. Таким образом, если бы альфа изменялась со временем, спектры излучения и поглощения этих атомов также изменились бы. Поэтому одним из способов поиска любых изменений значения альфа в истории Вселенной является измерение спектров далеких квазаров и сравнение длин волн определенных спектральных линий с современными значениями.
Квазары здесь используются только в качестве маяка - пламени - в очень далекой Вселенной. Межзвездные газовые облака в галактиках, расположенные между нами и квазарами на одной линии обзора и на расстояниях от шести до одиннадцати тысяч миллионов световых лет, поглощают части света, излучаемого квазарами. Результирующий спектр, следовательно, представляет собой темные «долины», которые можно отнести к хорошо известным элементам.
Если константа тонкой структуры будет изменяться в течение всего времени прохождения света, это повлияет на уровни энергии в атомах, и длины волн линий поглощения будут смещены на разные величины. Сравнивая относительные промежутки между долинами с лабораторными значениями, можно рассчитать альфа как функцию расстояния от нас, то есть как функцию возраста Вселенной.
Эти меры, однако, чрезвычайно деликатны и требуют очень хорошего моделирования линий поглощения. Они также предъявляют чрезвычайно строгие требования к качеству астрономических спектров. Они должны иметь достаточное разрешение, чтобы позволить очень точное измерение незначительных сдвигов в спектрах. И достаточное количество фотонов должно быть захвачено, чтобы обеспечить статистически однозначный результат.
Для этого астрономам приходится обращаться к самым передовым спектральным приборам на крупнейших телескопах. Именно здесь ультрафиолетовый и видимый эшеллеровский спектрограф (UVES) и 8,2-метровый телескоп ESO Kueyen в Обсерватории Паранал непобедимы благодаря непревзойденному спектральному качеству и большой площади собирающего зеркала этой комбинации.
Постоянный или нет?
Команда астрономов [1] во главе с Патриком Петитжаном (Парижский институт астрофизики и Парижская обсерватория, Франция) и Рагхунатаном Срианандом (IUCAA Pune, Индия) очень тщательно изучили гомогенный образец из 50 абсорбционных систем, наблюдаемых с помощью UVES и Kueyen. вдоль 18 дальних линий квазаров. Они записали спектры квазаров в течение 34 ночей, чтобы достичь максимально возможного спектрального разрешения и наилучшего отношения сигнал / шум. Были применены сложные автоматические процедуры, специально разработанные для этой программы.
Кроме того, астрономы использовали обширное моделирование, чтобы показать, что они могут правильно моделировать профили линий для восстановления возможного изменения альфа.
Результатом этого обширного исследования является то, что в течение последних 10 000 миллионов лет относительная вариация альфа должна составлять менее 0,6 части на миллион. Это самое сильное ограничение из исследований линий поглощения квазара на сегодняшний день. Что еще более важно, этот новый результат не поддерживает предыдущие заявления о статистически значимом изменении альфа со временем.
Интересно, что этот результат подтверждается другим, менее масштабным анализом, также проводимым на спектрометре UVES на VLT [2]. Несмотря на то, что эти наблюдения касались только одного из самых ярких известных квазаров HE 0515-4414, это независимое исследование дает дополнительную поддержку гипотезе об отсутствии изменения альфа.
Несмотря на то, что эти новые результаты представляют собой значительное улучшение наших знаний о возможном (не) изменении одной из фундаментальных физических констант, существующий набор данных в принципе все же допускает вариации, которые сравнительно велики по сравнению с результатами, полученными в результате измерений. из природного реактора Окло. Тем не менее, ожидается дальнейший прогресс в этой области с новым высокоточным спектрометром радиальной скорости HARPS на 3,6-метровом телескопе ESO в обсерватории La Silla (Чили). Этот спектрограф работает на пределе современных технологий и в основном используется для обнаружения новых планет вокруг звезд, отличных от Солнца - он может обеспечить улучшение порядка на порядок определения изменения альфа.
Другие фундаментальные константы могут быть исследованы с помощью квазаров. В частности, изучая длины волн молекулярного водорода в удаленной Вселенной, можно исследовать изменения соотношения между массами протона и электрона. Та же самая команда в настоящее время участвует в таком большом опросе с Очень Большим Телескопом, который должен привести к беспрецедентным ограничениям в этом соотношении.
Источник: ESO News Release
