Billedkredit: ESO
At opdage eller begrænse de mulige tidsvariationer af grundlæggende fysiske konstanter er et vigtigt skridt hen imod en fuldstændig forståelse af grundlæggende fysik og dermed den verden, hvor vi lever. Et trin, hvor astrofysik viser sig at være mest nyttigt.
Tidligere astronomiske målinger af den fine strukturkonstant - det dimensionsløse antal, der bestemmer styrken for interaktioner mellem ladede partikler og elektromagnetiske felter - antydede, at denne særlige konstant øges meget lidt med tiden. Hvis det bekræftes, vil dette have meget dybe konsekvenser for vores forståelse af grundlæggende fysik.
Nye undersøgelser, der blev udført ved hjælp af UVES-spektrograf om Kueyen, et af de 8,2 m-teleskoper fra ESOs Very Large Telescope-array i Paranal (Chile), sikrede nye data med en hidtil uset kvalitet. Disse data kombineret med en meget omhyggelig analyse har tilvejebragt de hidtil stærkeste astronomiske begrænsninger til den mulige variation af finstrukturkonstanten. De viser, at der, i modsætning til tidligere påstande, ikke findes bevis for at antage en tidsvariation af denne grundlæggende konstant.
En fin konstant
For at forklare universet og repræsentere det matematisk er forskere afhængige af såkaldte grundlæggende konstanter eller faste numre. De grundlæggende fysiske love, som vi for tiden forstår dem, afhænger af omkring 25 sådanne konstanter. Kendte eksempler er gravitationskonstanten, der definerer styrken af den kraft, der virker mellem to legemer, såsom Jorden og Månen, og lysets hastighed.
En af disse konstanter er den såkaldte "fine strukturkonstant", alpha = 1 / 137.03599958, en kombination af elektrisk ladning af elektronet, Planck-konstanten og lysets hastighed. Den fine strukturkonstant beskriver, hvordan elektromagnetiske kræfter holder atomer sammen, og hvordan lys interagerer med atomer.
Men er disse grundlæggende fysiske konstanter virkelig konstante? Er disse tal altid de samme, overalt i Universet og på alle tidspunkter? Dette er ikke et så naivt spørgsmål, som det kan se ud til. Moderne teorier om grundlæggende interaktioner, såsom Grand Unification Theory eller superstrengteorier, der behandler tyngdekraften og kvantemekanikken på en konsekvent måde, ikke kun forudsiger en afhængighed af grundlæggende fysiske konstanter med energi - eksperimenter med partikelfysik har vist den fine struktur konstant til vokser til en værdi af ca. 1/128 ved høje kollisionsenergier - men giver mulighed for deres kosmologiske tids- og rumvariationer. En tidsafhængighed af de grundlæggende konstanter kunne også let opstå, hvis der foruden de tre rumdimensioner findes mere skjulte dimensioner.
Allerede i 1955 overvejede den russiske fysiker Lev Landau muligheden for en tidsafhængighed af alfa. I slutningen af 1960'erne foreslog George Gamow i USA, at opladningen af elektronet, og derfor også alfa, kan variere. Det er imidlertid klart, at sådanne ændringer, hvis nogen, ikke kan være store, eller at de allerede var blevet påvist i relativt enkle eksperimenter. Sporing af disse mulige ændringer kræver således de mest sofistikerede og præcise teknikker.
Ser tilbage i tiden
Faktisk er det allerede kendt, at der er ret stærke begrænsninger for den mulige variation af finstrukturens konstante alfa. En sådan begrænsning er af geologisk art. Det er baseret på foranstaltninger truffet i den gamle naturlige fissionsreaktor beliggende nær Oklo (Gabon, Vestafrika) og som var aktiv for ca. 2.000 millioner år siden. Ved at studere fordelingen af et givet sæt elementer - isotoper af de sjældne jordarter, for eksempel samarium - som blev produceret ved fission af uran, kan man estimere, om den fysiske proces skete i et hurtigere eller langsommere tempo, end vi ville forvente det dag. Således kan vi måle en mulig ændring af værdien af den grundlæggende konstant, der spilles her, alfa. Imidlertid er den observerede fordeling af elementerne i overensstemmelse med beregninger, der antager, at værdien af alfa på det tidspunkt var nøjagtigt den samme som værdien i dag. I løbet af de 2 milliarder år skal alfaændringen derfor være mindre end ca. 2 dele pr. 100 millioner. Hvis det overhovedet er til stede, er det faktisk en ret lille ændring.
Men hvad med ændringer meget tidligere i universets historie?
For at måle dette skal vi finde midler til at undersøge endnu længere ind i fortiden. Og det er her astronomi kan hjælpe. For selvom astronomer generelt ikke kan udføre eksperimenter, er universet i sig selv et enormt atomfysiklaboratorium. Ved at studere meget fjerntliggende objekter kan astronomer se tilbage over en lang tidsperiode. På denne måde bliver det muligt at teste værdierne for de fysiske konstanter, da universet kun havde 25% af den nuværende alder, det vil sige for ca. 10.000 millioner år siden.
Meget langt beacons
For at gøre dette stoler astronomer på spektroskopi - måling af egenskaberne ved lys, der udsendes eller absorberes af stof. Når lyset fra en flamme ses gennem et prisme, er en regnbue synlig. Når man drysser salt på flammen, overlejres forskellige gule streger på de sædvanlige farver på regnbuen, såkaldte emissionslinjer. Når man sætter en gascelle mellem flammen og prismet, ser man dog mørke linjer på regnbuen: dette er absorptionslinjer. Bølgelængden af disse emission- og absorptionsspektra-linjer er direkte relateret til energiniveauet for atomerne i saltet eller i gassen. Spektroskopi giver os således mulighed for at studere atomstruktur.
Den fine struktur af atomer kan observeres spektroskopisk som opdeling af visse energiniveauer i disse atomer. Så hvis alpha skulle ændre sig over tid, ville emissionerne og absorptionsspektre for disse atomer også ændre sig. En måde at kigge efter eventuelle ændringer i alfa-værdien over Universets historie på er derfor at måle spektraerne for fjerne kvasarer og sammenligne bølgelængderne for visse spektrallinjer med nutidens værdier.
Kvasarer bruges her kun som et fyr - flammen - i det meget fjerne univers. Interstellare gasskyer i galakser, der er placeret mellem kvasarerne og os på samme synslinie og i afstande, der varierer fra seks til elleve tusind millioner lysår, absorberer dele af det lys, der udsendes fra kvasarerne. Det resulterende spektrum præsenterer følgelig mørke ”dale”, der kan tilskrives velkendte elementer.
Hvis finstrukturkonstanten tilfældigvis ændrer sig over varigheden af lysets rejse, ville energiniveauet i atomerne blive påvirket, og bølgelængderne på absorptionslinjerne ville blive forskudt med forskellige mængder. Ved at sammenligne de relative hul mellem dale og laboratorieværdier er det muligt at beregne alfa som en funktion af afstanden fra os, det vil sige som en funktion af universets alder.
Disse mål er imidlertid ekstremt delikate og kræver en meget god modellering af absorptionslinierne. De stiller også meget stærke krav til kvaliteten af de astronomiske spektre. De skal have tilstrækkelig opløsning til at tillade meget nøjagtig måling af minuscule forskydninger i spektre. Og et tilstrækkeligt antal fotoner skal indfanges for at give et statistisk entydigt resultat.
Til dette må astronomer henvende sig til de mest avancerede spektrale instrumenter på de største teleskoper. Det er her, det ultraviolette og synlige Echelle-spektrograf (UVES) og ESOs Kueyen 8,2-m-teleskop ved Paranal-observatoriet er uovervindelig takket være den enestående spektralkvalitet og det store opsamlingsspejleområde i denne kombination.
Konstant eller ej?
Et team af astronomer [1], ledet af Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris og Observatoire de Paris, Frankrig) og Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, Indien), studerede meget nøje en homogen prøve på 50 absorptionssystemer observeret med UVES og Kueyen langs 18 fjerne kvasars synslinjer. De registrerede spektrene af kvasarer over i alt 34 nætter for at opnå den højest mulige spektrale opløsning og det bedste signal-til-støj-forhold. Sofistikerede automatiske procedurer, der er specielt designet til dette program, blev anvendt.
Derudover brugte astronomerne omfattende simuleringer for at vise, at de korrekt kan modellere linjeprofilerne for at gendanne en mulig variation af alfa.
Resultatet af denne omfattende undersøgelse er, at den relative variation af alfa i løbet af de sidste 10.000 millioner år skal være mindre end 0,6 del pr. Million. Dette er den stærkeste begrænsning fra undersøgelser af quasarabsorptionslinjer til dato. Mere vigtigt er, at dette nye resultat ikke understøtter tidligere påstande om en statistisk signifikant alfa-ændring med tiden.
Interessant nok understøttes dette resultat af en anden - mindre omfattende - analyse, også udført med UVES-spektrometeret på VLT [2]. Selvom disse observationer kun vedrørte en af de lyseste kendte kvasarer HE 0515-4414, yder denne uafhængige undersøgelse yderligere støtte til hypotesen om ingen variation i alfa.
Selvom disse nye resultater repræsenterer en betydelig forbedring af vores viden om den mulige (ikke-) variation af en af de grundlæggende fysiske konstanter, ville det nuværende datasæt i princippet stadig tillade variationer, der er relativt store sammenlignet med dem, der følger af målingerne fra Oklo naturlige reaktor. Ikke desto mindre forventes der yderligere fremskridt på dette felt med det nye meget høje nøjagtighed radiale hastighedsspektrometer HARPS på ESOs 3,6 m-teleskop ved La Silla-observatoriet (Chile). Denne spektrograf fungerer ved grænsen for moderne teknologi og bruges mest til at detektere nye planeter omkring andre stjerner end Solen - det kan give en rækkefølge af forbedring af størrelsesordenen til bestemmelse af alfa-variationen.
Andre grundlæggende konstanter kan efterforskes ved hjælp af kvasarer. Især ved at studere bølgelængderne for molekylært brint i det fjerne universum kan man undersøge variationerne i forholdet mellem masserne af proton og elektron. Det samme team er nu involveret i en så stor undersøgelse med Very Large Telescope, som skulle føre til hidtil usete begrænsninger for dette forhold.
Original kilde: ESO News Release
