Πιστωτική εικόνα: ESO
Η ανίχνευση ή περιορισμός των πιθανών χρονικών παραλλαγών των θεμελιωδών φυσικών σταθερών είναι ένα σημαντικό βήμα προς την πλήρη κατανόηση της βασικής φυσικής και ως εκ τούτου του κόσμου στον οποίο ζούμε. Ένα βήμα στο οποίο η αστροφυσική αποδεικνύεται πιο χρήσιμη.
Προηγούμενες αστρονομικές μετρήσεις της σταθεράς λεπτής δομής - ο αριθμός χωρίς διάσταση που καθορίζει την ισχύ των αλληλεπιδράσεων μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων και ηλεκτρομαγνητικών πεδίων - υποδηλώνουν ότι αυτή η συγκεκριμένη σταθερά αυξάνεται πολύ ελαφρά με το χρόνο. Εάν επιβεβαιωθεί, αυτό θα είχε πολύ βαθιές επιπτώσεις στην κατανόηση της θεμελιώδους φυσικής.
Νέες μελέτες, που διεξήχθησαν με τη χρήση του φασματογράφου UVES στο Kueyen, ένα από τα τηλεσκόπια 8,2 m της σειράς Very Large Telescope της ESO στο Paranal (Χιλή), εξασφάλισαν νέα δεδομένα με πρωτοφανή ποιότητα. Αυτά τα δεδομένα, σε συνδυασμό με μια πολύ προσεκτική ανάλυση, παρείχαν τους ισχυρότερους αστρονομικούς περιορισμούς μέχρι σήμερα σχετικά με την πιθανή παραλλαγή της σταθεράς λεπτής δομής. Δείχνουν ότι, σε αντίθεση με τους προηγούμενους ισχυρισμούς, δεν υπάρχουν στοιχεία για την υπόθεση μιας χρονικής παραλλαγής αυτής της θεμελιώδους σταθεράς.
Μια λεπτή σταθερά
Για να εξηγήσουν το Σύμπαν και να το αντιπροσωπεύσουν μαθηματικά, οι επιστήμονες βασίζονται στις λεγόμενες θεμελιώδεις σταθερές ή σταθερούς αριθμούς. Οι θεμελιώδεις νόμοι της φυσικής, όπως τους κατανοούμε σήμερα, εξαρτώνται από περίπου 25 τέτοιες σταθερές. Γνωστά παραδείγματα είναι η σταθερά βαρύτητας, η οποία καθορίζει τη δύναμη της δύναμης που δρα μεταξύ δύο σωμάτων, όπως η Γη και η Σελήνη, και η ταχύτητα του φωτός.
Μία από αυτές τις σταθερές είναι η λεγόμενη «σταθερά λεπτής δομής», άλφα = 1 / 137.03599958, ένας συνδυασμός ηλεκτρικής φόρτισης του ηλεκτρονίου, της σταθεράς Planck και της ταχύτητας του φωτός. Η σταθερά λεπτής δομής περιγράφει πώς οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις συγκρατούν τα άτομα μαζί και τον τρόπο αλληλεπίδρασης του φωτός με τα άτομα.
Αλλά είναι αυτές οι θεμελιώδεις φυσικές σταθερές πραγματικά σταθερές; Είναι αυτοί οι αριθμοί πάντα οι ίδιοι, παντού στο Σύμπαν και ανά πάσα στιγμή; Αυτό δεν είναι τόσο αφελές ερώτημα όσο φαίνεται. Σύγχρονες θεωρίες θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων, όπως η Θεωρία της Μεγάλης Ενοποίησης ή οι θεωρίες υπερχορδών που αντιμετωπίζουν τη βαρύτητα και την κβαντική μηχανική με συνεπή τρόπο, όχι μόνο προβλέπουν την εξάρτηση των θεμελιωδών φυσικών σταθερών με την ενέργεια - πειράματα σωματιδιακής φυσικής έχουν δείξει ότι η λεπτή δομή είναι σταθερή σε μεγαλώνουν σε τιμή περίπου 1/128 σε ενέργειες υψηλής σύγκρουσης - αλλά επιτρέπουν τις κοσμολογικές παραλλαγές χρόνου και χώρου. Μια χρονική εξάρτηση από τις θεμελιώδεις σταθερές θα μπορούσε επίσης εύκολα να προκύψει εάν, εκτός από τις τρεις διαστάσεις του χώρου, υπάρχουν περισσότερες κρυφές διαστάσεις.
Ήδη το 1955, ο Ρώσος φυσικός Lev Landau εξέτασε τη δυνατότητα εξάρτησης του άλφα από το χρόνο. Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, ο Τζορτζ Γκάμοου στις Ηνωμένες Πολιτείες πρότεινε ότι η φόρτιση του ηλεκτρονίου, και επομένως και το άλφα, μπορεί να διαφέρει. Είναι όμως σαφές ότι τέτοιες αλλαγές, εάν υπάρχουν, δεν μπορούν να είναι μεγάλες ή θα είχαν ήδη εντοπιστεί σε συγκριτικά απλά πειράματα. Η παρακολούθηση αυτών των πιθανών αλλαγών απαιτεί επομένως τις πιο εξελιγμένες και ακριβείς τεχνικές.
Κοιτάζοντας πίσω στο παρελθόν
Στην πραγματικότητα, υπάρχουν ήδη αρκετά ισχυροί περιορισμοί για την πιθανή παραλλαγή της σταθερής άλφα της λεπτής δομής. Ένας τέτοιος περιορισμός είναι γεωλογικής φύσης. Βασίζεται σε μέτρα που ελήφθησαν στον αρχαίο αντιδραστήρα φυσικής σχάσης που βρίσκεται κοντά στο Όκλο (Γκαμπόν, Δυτική Αφρική) και ο οποίος δραστηριοποιήθηκε περίπου 2.000 εκατομμύρια χρόνια πριν. Μελετώντας την κατανομή ενός δεδομένου συνόλου στοιχείων - ισότοπα των σπάνιων γαιών, για παράδειγμα του σαμαρίου - τα οποία παρήχθησαν από τη σχάση του ουρανίου, μπορεί κανείς να εκτιμήσει εάν η φυσική διαδικασία συνέβη με γρηγορότερο ή βραδύτερο ρυθμό από ό, τι θα περιμέναμε στην εποχή μας. Έτσι μπορούμε να μετρήσουμε μια πιθανή αλλαγή της αξίας της θεμελιώδους σταθεράς που παίζεται εδώ, άλφα. Ωστόσο, η παρατηρούμενη κατανομή των στοιχείων είναι σύμφωνη με υπολογισμούς υποθέτοντας ότι η τιμή του άλφα εκείνη τη στιγμή ήταν ακριβώς η ίδια με την τιμή σήμερα. Κατά τη διάρκεια των 2 δισεκατομμυρίων ετών, η αλλαγή του άλφα πρέπει επομένως να είναι μικρότερη από περίπου 2 μέρη ανά 100 εκατομμύρια. Εάν υπάρχει καθόλου, αυτή είναι μάλλον μια μικρή αλλαγή.
Αλλά τι γίνεται με τις αλλαγές πολύ νωρίτερα στην ιστορία του Σύμπαντος;
Για να το μετρήσουμε πρέπει να βρούμε μέσα για να ερευνήσουμε ακόμη περισσότερο το παρελθόν. Και εδώ μπορεί να βοηθήσει η αστρονομία. Διότι, παρόλο που οι αστρονόμοι δεν μπορούν γενικά να κάνουν πειράματα, το ίδιο το Σύμπαν είναι ένα τεράστιο εργαστήριο ατομικής φυσικής. Μελετώντας πολύ απομακρυσμένα αντικείμενα, οι αστρονόμοι μπορούν να κοιτάξουν πίσω για μεγάλο χρονικό διάστημα. Με αυτόν τον τρόπο καθίσταται δυνατή η δοκιμή των τιμών των φυσικών σταθερών όταν το Σύμπαν είχε μόλις το 25% της παρούσας ηλικίας, δηλαδή περίπου 10.000 εκατομμύρια χρόνια πριν.
Πολύ μακριά φάροι
Για να γίνει αυτό, οι αστρονόμοι βασίζονται στη φασματοσκοπία - τη μέτρηση των ιδιοτήτων του φωτός που εκπέμπεται ή απορροφάται από την ύλη. Όταν το φως από μια φλόγα παρατηρείται μέσω ενός πρίσματος, ένα ουράνιο τόξο είναι ορατό. Όταν πασπαλίζετε αλάτι στη φλόγα, διακρίνονται κίτρινες γραμμές στα συνηθισμένα χρώματα του ουράνιου τόξου, τις λεγόμενες γραμμές εκπομπών. Βάζοντας ένα κελί αερίου μεταξύ της φλόγας και του πρίσματος, βλέπουμε ωστόσο σκοτεινές γραμμές στο ουράνιο τόξο: αυτές είναι γραμμές απορρόφησης. Το μήκος κύματος αυτών των γραμμών φασμάτων εκπομπής και απορρόφησης σχετίζεται άμεσα με τα επίπεδα ενέργειας των ατόμων στο άλας ή στο αέριο. Η φασματοσκοπία μας επιτρέπει έτσι να μελετήσουμε την ατομική δομή.
Η λεπτή δομή των ατόμων μπορεί να παρατηρηθεί φασματοσκοπικά ως ο διαχωρισμός ορισμένων επιπέδων ενέργειας σε αυτά τα άτομα. Έτσι, εάν το άλφα αλλάξει με την πάροδο του χρόνου, τα φάσματα εκπομπής και απορρόφησης αυτών των ατόμων θα αλλάξουν επίσης. Ένας τρόπος για να αναζητήσετε οποιεσδήποτε αλλαγές στην τιμή του άλφα κατά την ιστορία του Σύμπαντος είναι συνεπώς να μετρήσετε τα φάσματα των μακρινών κβάζαρ και να συγκρίνετε τα μήκη κύματος ορισμένων φασματικών γραμμών με τις σημερινές τιμές.
Τα κβάζαρ χρησιμοποιούνται εδώ μόνο ως φάρος - η φλόγα - στο πολύ μακρινό Σύμπαν. Τα διαστρικά σύννεφα αερίου στους γαλαξίες, που βρίσκονται μεταξύ των κβάζαρ και μας στην ίδια οπτική γραμμή και σε αποστάσεις που κυμαίνονται από έξι έως έντεκα χιλιάδες εκατομμύρια έτη φωτός, απορροφούν τμήματα του φωτός που εκπέμπεται από τα κβάζαρ. Το φάσμα που προκύπτει συνεπώς παρουσιάζει σκοτεινές «κοιλάδες» που μπορούν να αποδοθούν σε γνωστά στοιχεία.
Εάν η σταθερά λεπτής δομής συμβεί να αλλάξει κατά τη διάρκεια της διαδρομής του φωτός, τα επίπεδα ενέργειας στα άτομα θα επηρεαστούν και τα μήκη κύματος των γραμμών απορρόφησης θα μετατοπιστούν με διαφορετικές ποσότητες. Συγκρίνοντας τα σχετικά κενά μεταξύ των κοιλάδων με τις εργαστηριακές τιμές, είναι δυνατόν να υπολογίσουμε το άλφα ως συνάρτηση της απόστασης από εμάς, δηλαδή ως συνάρτηση της εποχής του Σύμπαντος.
Ωστόσο, αυτά τα μέτρα είναι εξαιρετικά ευαίσθητα και απαιτούν πολύ καλή μοντελοποίηση των γραμμών απορρόφησης. Έθεσαν επίσης εξαιρετικά ισχυρές απαιτήσεις για την ποιότητα των αστρονομικών φασμάτων. Πρέπει να έχουν αρκετή ανάλυση για να επιτρέπουν πολύ ακριβή μέτρηση των μικροσκοπικών μετατοπίσεων στα φάσματα. Και επαρκής αριθμός φωτονίων πρέπει να συλληφθεί για να παρέχει στατιστικά σαφές αποτέλεσμα.
Για αυτό, οι αστρονόμοι πρέπει να στραφούν στα πιο προηγμένα φασματικά όργανα στα μεγαλύτερα τηλεσκόπια. Αυτό είναι όπου το Ultra-violet και ορατό Echelle Spectrograph (UVES) και το τηλεσκόπιο Kueyen 8,2-m του ESO στο Παρατηρητήριο Paranal είναι ασυναγώνιστα, χάρη στην απαράμιλλη φασματική ποιότητα και τη μεγάλη περιοχή καθρέφτη συλλογής αυτού του συνδυασμού.
Σταθερή ή όχι;
Μια ομάδα αστρονόμων [1], με επικεφαλής τον Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris και Observatoire de Paris, Γαλλία) και τον Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, Ινδία) μελέτησαν πολύ προσεκτικά ένα ομοιογενές δείγμα 50 συστημάτων απορρόφησης που παρατηρήθηκαν με UVES και Kueyen κατά μήκος 18 μακρινών οπτικών γραμμών κβάζαρ. Ηχογράφησαν τα φάσματα των κβάζαρ για συνολικά 34 νύχτες για να επιτύχουν την υψηλότερη δυνατή φασματική ανάλυση και την καλύτερη αναλογία σήματος προς θόρυβο. Εφαρμόστηκαν εξελιγμένες αυτόματες διαδικασίες ειδικά σχεδιασμένες για αυτό το πρόγραμμα.
Επιπλέον, οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν εκτεταμένες προσομοιώσεις για να δείξουν ότι μπορούν να μοντελοποιήσουν σωστά τα προφίλ γραμμής για να ανακτήσουν μια πιθανή παραλλαγή του άλφα.
Το αποτέλεσμα αυτής της εκτεταμένης μελέτης είναι ότι τα τελευταία 10.000 εκατομμύρια χρόνια, η σχετική διακύμανση του άλφα πρέπει να είναι μικρότερη από 0,6 μέρος ανά εκατομμύριο. Αυτός είναι ο ισχυρότερος περιορισμός από τις μελέτες γραμμών απορρόφησης κβάζαρ μέχρι σήμερα. Το πιο σημαντικό, αυτό το νέο αποτέλεσμα δεν υποστηρίζει προηγούμενες αξιώσεις για στατιστικά σημαντική αλλαγή του άλφα με το χρόνο.
Είναι ενδιαφέρον ότι αυτό το αποτέλεσμα υποστηρίζεται από μια άλλη - λιγότερο εκτεταμένη - ανάλυση, που πραγματοποιήθηκε επίσης με το φασματόμετρο UVES στο VLT [2]. Παρόλο που αυτές οι παρατηρήσεις αφορούσαν μόνο ένα από τα πιο φωτεινά γνωστά κβάζαρ HE 0515-4414, αυτή η ανεξάρτητη μελέτη υποστηρίζει περαιτέρω την υπόθεση της μη παραλλαγής του άλφα.
Παρόλο που αυτά τα νέα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν μια σημαντική βελτίωση στη γνώση μας για την πιθανή (μη) παραλλαγή μιας από τις θεμελιώδεις φυσικές σταθερές, το παρόν σύνολο δεδομένων θα επέτρεπε κατ 'αρχήν να επιτρέπει παραλλαγές που είναι συγκριτικά μεγάλες σε σύγκριση με αυτές που προκύπτουν από τις μετρήσεις από τον φυσικό αντιδραστήρα του Oklo. Ωστόσο, αναμένεται περαιτέρω πρόοδος σε αυτόν τον τομέα με το νέο ακτινωτό φασματόμετρο HARPS υψηλής ακρίβειας στο τηλεσκόπιο 3,6 m του ESO στο Παρατηρητήριο La Silla (Χιλή). Αυτός ο φασματογράφος λειτουργεί στο όριο της σύγχρονης τεχνολογίας και χρησιμοποιείται ως επί το πλείστον για την ανίχνευση νέων πλανητών γύρω από αστέρια εκτός του Ήλιου - μπορεί να παρέχει μια σειρά βελτίωσης μεγέθους για τον προσδιορισμό της παραλλαγής του άλφα.
Άλλες θεμελιώδεις σταθερές μπορούν να ανιχνευθούν χρησιμοποιώντας κβάζαρ. Ειδικότερα, μελετώντας τα μήκη κύματος του μοριακού υδρογόνου στο απομακρυσμένο Σύμπαν, μπορεί κανείς να ανιχνεύσει τις παραλλαγές της αναλογίας μεταξύ των μαζών του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου. Η ίδια ομάδα συμμετέχει τώρα σε μια τόσο μεγάλη έρευνα με το πολύ μεγάλο τηλεσκόπιο που θα πρέπει να οδηγήσει σε πρωτοφανείς περιορισμούς σε αυτήν την αναλογία.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων ESO
