Et grundlæggende tal, der påvirker farven på lys udsendt af atomer såvel som alle kemiske interaktioner, er ikke ændret i mere end 7 milliarder år, ifølge observationer fra et team af astronomer, der kortlægger udviklingen af galakser og universet.
Resultaterne rapporteres i dag (mandag 18. april) på det årlige møde i American Physical Society (APS) af astronom Jeffrey Newman, en Hubble-stipendiat ved Lawrence Berkeley National Laboratory, der repræsenterer DEEP2, et samarbejde ledet af University of California, Berkeley , og UC Santa Cruz. Newman præsenterer dataene og en opdatering om DEEP2-projektet kl. EDT-pressekonference på Marriott Waterside Hotel i Tampa, Fla.
Den fine strukturkonstant, en af en håndfuld rene tal, der indtager en central rolle i fysikken, dukker op i næsten alle ligninger, der involverer elektricitet og magnetisme, inklusive dem, der beskriver emissionen af elektromagnetiske bølger - lys - af atomer. På trods af sin grundlæggende karakter har nogle teoretikere imidlertid antydet, at det ændrer sig subtilt, efterhånden som universet ældes, hvilket afspejler en ændring i tiltrækningen mellem atomkernen og elektronerne, der svirrer omkring den.
I løbet af de sidste par år har en gruppe australske astronomer rapporteret, at konstanten er steget i løbet af universets levetid med ca. en del i 100.000, baseret på dens målinger af absorptionen af lys fra fjerne kvasarer, når lyset passerer gennem galakser tættere til os. Andre astronomer har imidlertid ikke fundet nogen sådan ændring ved hjælp af den samme teknik.
De nye observationer fra DEEP2-undersøgelsesteamet bruger en mere direkte metode til at tilvejebringe et uafhængigt mål for konstanten og viser ingen ændring inden for en del af 30.000.
”Den fine strukturkonstant indstiller styrken af den elektromagnetiske kraft, der påvirker, hvordan atomer holder sammen og energiniveauet i et atom. På et eller andet niveau hjælper det med at indstille omfanget af alt almindeligt stof bestående af atomer, ”sagde Newman. "Dette nullresultat betyder, at teoretikere ikke behøver at finde en forklaring på, hvorfor det ville ændre sig så meget."
Den fine strukturkonstant, udpeget af det græske bogstav alfa, er et forhold mellem andre ”konstanter” af naturen, som i nogle teorier kunne ændre sig i løbet af den kosmiske tid. Lig med kvadratet for ladningen af elektronet divideret med hastigheden af lystider Plancks konstante, alfa ville ændre sig i henhold til en nyere teori, kun hvis lysets hastighed ændrede sig over tid. Nogle teorier om mørk energi eller storslået forening, især dem, der involverer mange ekstra dimensioner ud over de fire rum og tid, som vi er fortrolige med, forudsiger en gradvis udvikling af den fine strukturkonstant, sagde Newman.
DEEP2 er en fem-årig undersøgelse af galakser mere end 7 til 8 milliarder lysår fjerne, hvis lys er blevet strækket ud eller rødskiftet for at næsten fordoble sin oprindelige bølgelængde ved universets udvidelse. Selvom samarbejdsprojektet, støttet af National Science Foundation, ikke var designet til at lede efter variation i den fine strukturkonstant, blev det klart, at en delmængde af de hidtil observerede 40.000 galakser ville tjene dette formål.
"I denne gigantiske undersøgelse viser det sig, at en lille brøkdel af dataene ser ud til at være perfekt til at besvare det spørgsmål, Jeff stiller," sagde DEEP2-hovedundersøger Marc Davis, professor i astronomi og fysik ved UC Berkeley. "Denne undersøgelse er virkelig et generelt formål og vil tjene en million anvendelser."
For flere år siden påpegede astronom John Bahcall fra Institute for Advanced Study, at måling af emissionslinjer fra fjerne galakser ved direkte søgning efter variationer i den fine strukturkonstant ville være mere direkte og mindre fejlagtig til at måle absorptionslinjer. Newman indså hurtigt, at DEEP2-galakser, der indeholder iltemissionslinjer, var perfekt egnet til at give et præcist mål for enhver ændring.
”Når de modstridende resultater skyldes, at absorptionslinjer begynder at dukke op, havde jeg tanken om, at da vi har alle disse høje rødskift galakser, måske kan vi gøre noget ikke med absorptionslinjer, men med emissionslinier inden for vores prøve,” sagde Newman. "Emissionslinjer ville være meget lidt forskellige, hvis den fine struktur konstant ændrede sig."
DEEP2-data gjorde det muligt for Newman og hans kolleger at måle bølgelængden af emissionslinier for ioniseret ilt (OIII, dvs. ilt, der har mistet to elektroner) til en præcision på bedre end 0,01 Ångstrøm ud af 5.000 Ångstrøm. En angstrom, omkring bredden af et hydrogenatom, svarer til 10 nanometer.
”Dette er en præcision, der kun er overgået af folk, der prøver at se efter planeter,” sagde han og henviste til detektion af svage wobbles i stjerner på grund af planeter, der trækker på stjernen.
DEEP2-teamet sammenlignede bølgelængderne for to OIII-emissionslinjer for 300 individuelle galakser i forskellige afstande eller rødskift, lige fra en rødskift på ca. 0,4 (ca. 4 milliarder år siden) til 0,8 (ca. 7 milliarder år siden). Den målte finstrukturskonstant var ikke forskellig fra dagens værdi, som er cirka 1/137. Der var heller ingen opadgående eller nedadgående tendens i alfa-værdien i denne periode på 4 milliarder år.
”Vores nullresultat er ikke den mest præcise måling, men en anden metode (ser på absorptionslinjer), der giver mere præcise resultater involverer systematiske fejl, der får forskellige mennesker til at bruge metoden til at komme med forskellige resultater,” sagde Newman.
Newman annoncerede også på APS-mødet den offentliggørelse af den første datasæson (2002) fra DEEP2-undersøgelsen, som repræsenterer 10 procent af de 50.000 fjerne galakser, som teamet håber at undersøge. DEEP2 bruger DEIMOS-spektrograf på Keck II-teleskopet på Hawaii til at registrere rødskift, lysstyrke og farvespektrum af disse fjerne galakser, primært for at sammenligne galakse-klynger derefter sammenlignet med nu. Undersøgelsen, nu mere end 80 procent afsluttet, bør afslutte observationer i sommer med fuld dataudgivelse i 2007.
”Dette er virkelig et unikt datasæt til at begrænse både hvordan galakser har udviklet sig, og hvordan universet har udviklet sig over tid,” sagde Newman. ”Sloan Digital Sky Survey foretager målinger på omkring rødskift 0,2 og ser tilbage de sidste 2-3 milliarder år. Vi starter virkelig ved rødskift 0,7 og toppede med 0,8 eller 0,9, svarende til 7-8 milliarder år siden, en tid, hvor universet var halvt så gammelt som det er i dag. ”
Undersøgelsen har også afsluttet målinger, der kunne kaste lys over arten af mørk energi - en mystisk energi, der gennemsyrer universet og ser ud til at forårsage, at universets udvidelse accelererer. Holdet modellerer nu forskellige teorier om mørk energi for at sammenligne teoretiske forudsigelser med de nye DEEP2 målinger.
Som Davis forklarede det, bestemmer mængden af mørk energi, der nu estimeres til at være 70 procent af al energien i universet, udviklingen af galakser og galakser. Ved at tælle antallet af små grupper og massive klynger af galakser i et fjernt rumfang som en funktion af deres rødskift og masse er det muligt at måle den mængde, som universet har udvidet til i dag, hvilket afhænger af naturen af mørk energi.
”Grundlæggende tæller du klyngerne og spørger:” Er der meget eller et par få? ”Sagde Davis. ”Det er alt, hvad det beløber sig til. Hvis der er meget få klynger, betyder det, at universet udvides ganske måder. Og hvis der er mange klynger, ekspanderede universet ikke så meget. ”
Davis sammenligner i øjeblikket DEEP2-målinger med forudsigelser om den enkleste mørke energi-teori, men håber at samarbejde med andre teoretikere for at teste mere eksotiske teorier om mørk energi.
”Hvad de virkelig prøver at få til, er, hvordan den mørke energitæthed ændrer sig, efterhånden som universet ekspanderer,” sagde UC Berkeley-teoretisk fysiker Martin White, en professor i astronomi og fysik, der har arbejdet med Davis. ”Hvis den mørke energitetthet er Einsteins kosmologiske konstant, er den teoretiske forudsigelse, at den ikke ændrer sig. Den hellige gral nu er at få noget bevis for, at det ikke er den kosmologiske konstant, at det faktisk ændrer sig. ”
Original kilde: UC Berkeley
