Attēla kredīts: ESO
Fizisko pamatkonstantu iespējamo laika variāciju noteikšana vai ierobežošana ir svarīgs solis, lai pilnībā izprastu fizikas pamatus un līdz ar to pasauli, kurā mēs dzīvojam. Solis, kurā astrofizika izrādās visnoderīgākā.
Iepriekšējie smalkās struktūras konstantes astronomiskie mērījumi - bezizmēra skaitlis, kas nosaka mijiedarbības stiprumu starp uzlādētām daļiņām un elektromagnētiskajiem laukiem - liecināja, ka šī konkrētā konstante laika gaitā nedaudz palielinās. Ja tas tiks apstiprināts, tas ļoti dziļi ietekmēs mūsu izpratni par fizikas pamatiem.
Jauni pētījumi, kas veikti, izmantojot UVES spektrogrāfu uz Kueyen, kas ir viens no 8,2 m teleskopiem ESO ļoti lielā teleskopa masīvā Paranalā (Čīle), nodrošināja jaunus datus ar nepieredzētu kvalitāti. Šie dati apvienojumā ar ļoti rūpīgu analīzi ir nodrošinājuši līdz šim spēcīgākos astronomiskos ierobežojumus attiecībā uz smalkās struktūras konstantes iespējamām izmaiņām. Tie parāda, ka pretēji iepriekšējiem apgalvojumiem nav pierādījumu, lai pieņemtu šīs fundamentālās konstantes laika izmaiņas.
Smalka konstante
Lai izskaidrotu Visumu un attēlotu to matemātiski, zinātnieki paļaujas uz tā sauktajām fundamentālajām konstantēm vai fiksētiem skaitļiem. Fizikas pamatlikumi, kā mēs tos tagad saprotam, ir atkarīgi no apmēram 25 šādām konstantēm. Plaši pazīstami piemēri ir gravitācijas konstante, kas nosaka spēka spēku, kas darbojas starp diviem ķermeņiem, piemēram, Zemi un Mēnesi, un gaismas ātrumu.
Viena no šīm konstantēm ir tā saucamā “smalkās struktūras konstante”, alfa = 1 / 137.03599958, elektronu elektriskā lādiņa, Planka konstantes un gaismas ātruma kombinācija. Smalkās struktūras konstante apraksta to, kā elektromagnētiskie spēki satur atomus kopā un kā gaisma mijiedarbojas ar atomiem.
Bet vai šīs fizikālās pamatkonstantes tiešām ir nemainīgas? Vai šie skaitļi vienmēr ir vienādi, visur Visumā un vienmēr? Tas nav tik naivs jautājums, kā varētu šķist. Mūsdienu fundamentālās mijiedarbības teorijas, piemēram, Lielās apvienošanās teorija vai superstīgu teorijas, kas konsekventi izturas pret gravitācijas un kvantu mehāniku, ne tikai paredz fundamentālo fizisko konstantu atkarību no enerģijas - daļiņu fizikas eksperimenti parādīja, ka smalkā struktūra ir nemainīga līdz pieaugs līdz vērtībai aptuveni 1/128 pie lielām sadursmes enerģijām, bet ņemiet vērā to kosmoloģiskās laika un telpas izmaiņas. Arī pamata konstantu laika atkarība no laika varētu viegli rasties, ja papildus trim telpas dimensijām pastāv arī vairāk slēptu dimensiju.
Jau 1955. gadā krievu fiziķis Ļevs Landau apsvēra iespēju, ka alfa var būt atkarīga no laika. Sešdesmito gadu beigās Džordžs Gamovs ASV ierosināja, ka elektronu, tātad arī alfa, lādiņš var atšķirties. Tomēr ir skaidrs, ka šādas izmaiņas, ja tādas ir, nevar būt lielas vai arī tās jau būtu atklātas salīdzinoši vienkāršos eksperimentos. Tādējādi šo iespējamo izmaiņu izsekošanai nepieciešami vissarežģītākie un precīzākie paņēmieni.
Atskatoties laikā
Faktiski jau ir zināmi diezgan stingri ierobežojumi smalkās struktūras konstanta alfa iespējamām variācijām. Viens no šādiem ierobežojumiem ir ģeoloģisks raksturs. Tā pamatā ir pasākumi, kas veikti senajā dabiskā skaldīšanās reaktorā, kas atrodas netālu no Oklo (Gabona, Rietumāfrika) un kurš bija aktīvs aptuveni pirms 2000 miljoniem gadu. Izpētot dotā elementa kopuma - reto zemju, piemēram, samārija - izotopu, izplatību, kas iegūts urāna skaldīšanas rezultātā, var novērtēt, vai fiziskais process notika ātrāk vai lēnāk, nekā mēs varētu gaidīt mūsdienās. Tādējādi šeit var izmērīt spēlējamās pamata konstantes vērtības izmaiņas, alfa. Tomēr novērotais elementu sadalījums saskan ar aprēķiniem, pieņemot, ka alfa vērtība tajā laikā bija tieši tāda pati kā šodien. Tāpēc 2 miljardu gadu laikā alfa izmaiņām jābūt mazākām par apmēram 2 daļām uz 100 miljoniem. Ja tādas vispār ir, tās patiešām ir diezgan nelielas izmaiņas.
Bet kā ir ar izmaiņām daudz agrāk Visuma vēsturē?
Lai to izmērītu, mums jāatrod līdzekļi, lai pārbaudītu vēl vairāk pagātnē. Un šeit var palīdzēt astronomija. Tā kā, kaut arī astronomi parasti nevar veikt eksperimentus, pats Visums ir milzīga atomu fizikas laboratorija. Pētot ļoti attālus objektus, astronomi var atskatīties ilgā laika posmā. Tādā veidā kļūst iespējams pārbaudīt fizikālo konstantu vērtības, kad Visumam bija tikai 25% pašreizējā vecuma, tas ir, apmēram pirms 10 000 miljoniem gadu.
Ļoti tālu bākas
Lai to izdarītu, astronomi paļaujas uz spektroskopiju - vielas izstarotās vai absorbētās gaismas īpašību mērīšanu. Kad caur prizmu tiek novērota liesma no liesmas, ir redzams varavīksne. Apkaisot sāli uz liesmas, parastās varavīksnes krāsās, tā saucamajās emisijas līnijās, tiek uzvilktas skaidras dzeltenas līnijas. Liekot gāzes kameru starp liesmu un prizmu, varavīksnei tomēr ir redzamas tumšas līnijas: tās ir absorbcijas līnijas. Šo emisijas un absorbcijas spektru līniju viļņa garums ir tieši saistīts ar sāls vai gāzes atomu enerģijas līmeņiem. Spektroskopija tādējādi ļauj mums izpētīt atomu struktūru.
Smalko atomu struktūru var novērot spektroskopiski kā noteiktu enerģijas līmeņu sadalījumu šajos atomos. Tātad, ja laika gaitā alfa mainītos, mainītos arī šo atomu emisijas un absorbcijas spektri. Tāpēc viens no veidiem, kā meklēt izmaiņas alfa vērtībā Visuma vēsturē, ir izmērīt tālu kvazāru spektrus un salīdzināt noteiktu spektrālo līniju viļņu garumus ar mūsdienu vērtībām.
Kvazāri šeit tiek izmantoti tikai kā bāksignāls - liesma - ļoti tālajā Visumā. Starpzvaigžņu gāzes mākoņi galaktikās, kas atrodas starp kvazāriem un mums tajā pašā redzamības līnijā un attālumos no sešiem līdz vienpadsmit tūkstošiem miljonu gaismas gadu, absorbē kvazāru izstarotās gaismas daļas. Rezultātā iegūtais spektrs parāda tumšās “ielejas”, kuras var attiecināt uz labi zināmiem elementiem.
Ja smalkās struktūras konstante gaismas ceļojuma laikā mainās, enerģijas līmeņi atomos tiks ietekmēti, un absorbcijas līniju viļņu garumi tiks mainīti par dažādiem lielumiem. Salīdzinot relatīvās spraugas starp ielejām un laboratorijas vērtībām, ir iespējams aprēķināt alfa kā attāluma no mums funkciju, tas ir, kā Visuma vecuma funkciju.
Šie pasākumi tomēr ir ārkārtīgi delikāti un prasa ļoti labu absorbcijas līniju modelēšanu. Viņi arī izvirza ārkārtīgi stingras prasības astronomisko spektru kvalitātei. Viņiem jābūt pietiekami izšķirtspējīgiem, lai varētu ļoti precīzi izmērīt spektru mazo nobīdi. Lai iegūtu statistiski nepārprotamu rezultātu, ir jāfiksē pietiekams skaits fotonu.
Lai to izdarītu, astronomiem jāgriežas pie vismodernākajiem spektrālajiem instrumentiem lielākajos teleskopos. Paralēlas observatorijas ultravioletā un redzamā ešeles spektrogrāfs (UVES) un ESO Kueyen 8,2 m teleskops ir nepārspējams, pateicoties šīs kombinācijas nepārspējamajai spektrālajai kvalitātei un lielajam savācošā spoguļa laukumam.
Pastāvīgi, vai ne?
Astronomu komanda [1], kuru vadīja Patriks Petitjeans (Parīzes Institūts un Parīzes observatorija, Francija) un Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, Indija), ļoti rūpīgi izpētīja viendabīgu 50 absorbcijas sistēmu paraugu, kas novēroti ar UVES un Kueyen pa 18 tālām kvazāru redzes līnijām. Viņi reģistrēja kvazaru spektru kopumā 34 naktīs, lai sasniegtu augstāko iespējamo spektrālo izšķirtspēju un vislabāko signāla un trokšņa attiecību. Tika piemērotas sarežģītas automātiskas procedūras, kas īpaši izstrādātas šai programmai.
Turklāt astronomi izmantoja plašas simulācijas, lai parādītu, ka viņi var pareizi modelēt līniju profilus, lai atgūtu iespējamās alfa variācijas.
Šī plašā pētījuma rezultāts ir tāds, ka pēdējo 10 000 miljonu gadu laikā alfa relatīvajām izmaiņām jābūt mazākām par 0,6 ppm. Tas ir visspēcīgākais ierobežojums, kas līdz šim veikts kvazāru absorbcijas līniju pētījumos. Vēl svarīgāk ir tas, ka šis jaunais rezultāts neatbalsta iepriekšējos apgalvojumus par statistiski nozīmīgām alfa izmaiņām laika gaitā.
Interesanti, ka šo rezultātu apstiprina cita - ne tik plaša - analīze, kas arī veikta ar UVES spektrometru uz VLT [2]. Kaut arī šie novērojumi attiecās tikai uz vienu no spilgtākajiem zināmajiem kvazāriem HE 0515-4414, šis neatkarīgais pētījums sniedz papildu atbalstu hipotēzei, ka alfa variācijas nav.
Kaut arī šie jaunie rezultāti liecina par būtisku uzlabojumu mūsu zināšanās par vienas no fizikālo pamatkonstantu iespējamām (ne) izmaiņām, pašreizējais datu kopums principā joprojām pieļauj atšķirības, kas ir salīdzinoši lielas salīdzinājumā ar tām, kas rodas mērījumos no Oklo dabiskā reaktora. Neskatoties uz to, gaidāms turpmāks progress šajā jomā ar jauno ļoti augstas precizitātes radiālā ātruma spektrometru HARPS uz ESO 3,6 m teleskopa La Silla observatorijā (Čīle). Šis spektrogrāfs darbojas uz moderno tehnoloģiju robežas un lielākoties tiek izmantots jaunu planētu noteikšanai ap zvaigznēm, kas nav Saule - tas var sniegt lieluma uzlabojumu, nosakot alfa variācijas.
Citas pamata konstantes var noteikt, izmantojot kvazārus. Jo īpaši, pētot molekulārā ūdeņraža viļņu garumus attālajā Visumā, var noteikt proporcijas variācijas starp protona un elektronu masām. Tā pati komanda tagad nodarbojas ar tik lielu aptauju ar ļoti lielu teleskopu, kam vajadzētu radīt nepieredzētus šīs attiecības ierobežojumus.
Oriģinālais avots: ESO ziņu izlaidums
