Afbeelding tegoed: ESO
Het detecteren of beperken van de mogelijke tijdsvariaties van fundamentele fysieke constanten is een belangrijke stap in de richting van een volledig begrip van de basisfysica en dus van de wereld waarin we leven. Een stap waarin astrofysica het meest nuttig is.
Eerdere astronomische metingen van de fijne structuurconstante - het dimensieloze getal dat de sterkte van interacties tussen geladen deeltjes en elektromagnetische velden bepaalt - suggereerden dat deze specifieke constante met de tijd zeer licht toeneemt. Indien bevestigd, zou dit zeer diepgaande implicaties hebben voor ons begrip van de fundamentele fysica.
Nieuwe studies, uitgevoerd met de UVES-spectrograaf op Kueyen, een van de 8,2 m telescopen van ESO's Very Large Telescope-array in Paranal (Chili), hebben nieuwe gegevens met ongekende kwaliteit veiliggesteld. Deze gegevens, gecombineerd met een zeer zorgvuldige analyse, hebben tot dusver de sterkste astronomische beperkingen opgeleverd voor de mogelijke variatie van de fijne structuurconstante. Ze laten zien dat, in tegenstelling tot eerdere beweringen, er geen bewijs is om een tijdsvariatie van deze fundamentele constante aan te nemen.
Een fijne constante
Om het heelal uit te leggen en wiskundig weer te geven, vertrouwen wetenschappers op zogenaamde fundamentele constanten of vaste getallen. De fundamentele wetten van de fysica, zoals we die momenteel begrijpen, zijn afhankelijk van ongeveer 25 van dergelijke constanten. Bekende voorbeelden zijn de zwaartekrachtconstante, die de kracht van de kracht tussen twee lichamen, zoals de aarde en de maan, en de lichtsnelheid bepaalt.
Een van deze constanten is de zogenaamde “fijne structuurconstante”, alpha = 1 / 137.03599958, een combinatie van elektrische lading van het elektron, de constante van Planck en de lichtsnelheid. De constante met fijne structuur beschrijft hoe elektromagnetische krachten atomen bij elkaar houden en de manier waarop licht met atomen samenwerkt.
Maar zijn deze fundamentele fysieke constanten echt constant? Zijn die cijfers altijd hetzelfde, overal in het universum en altijd? Dit is niet zo naïef als het lijkt. Hedendaagse theorieën over fundamentele interacties, zoals de Grand Unification Theory of supersnaartheorieën die de zwaartekracht en kwantummechanica op een consistente manier behandelen, voorspellen niet alleen een afhankelijkheid van fundamentele fysische constanten met energie - experimenten met deeltjesfysica hebben de fijne structuur constant aangetoond groeien naar een waarde van ongeveer 1/128 bij hoge botsingsenergieën - maar laten hun kosmologische tijd- en ruimtevariaties toe. Een tijdafhankelijkheid van de fundamentele constanten zou ook gemakkelijk kunnen ontstaan als er naast de drie ruimtedimensies meer verborgen dimensies bestaan.
Al in 1955 overwoog de Russische natuurkundige Lev Landau de mogelijkheid van een tijdsafhankelijkheid van alfa. Eind jaren zestig suggereerde George Gamow in de Verenigde Staten dat de lading van het elektron, en dus ook van alfa, kan variëren. Het is echter duidelijk dat dergelijke veranderingen, indien die er zijn, niet groot kunnen zijn of dat ze al zouden zijn gedetecteerd in relatief eenvoudige experimenten. Het volgen van deze mogelijke veranderingen vereist dus de meest geavanceerde en precieze technieken.
Terugkijken in de tijd
In feite zijn er al vrij sterke beperkingen bekend voor de mogelijke variatie van de fijne structuurconstante alpha. Een dergelijke beperking is van geologische aard. Het is gebaseerd op maatregelen die zijn genomen in de oude natuurlijke splijtingsreactor in de buurt van Oklo (Gabon, West-Afrika), die ongeveer 2000 miljoen jaar geleden actief was. Door de distributie te bestuderen van een bepaalde set elementen - isotopen van de zeldzame aarden, bijvoorbeeld van samarium - die zijn geproduceerd door de splijting van uranium, kan worden geschat of het fysieke proces sneller of langzamer is verlopen dan we zouden verwachten vandaag de dag. We kunnen dus een mogelijke verandering van de waarde van de fundamentele constante die hier speelt, alpha, meten. De waargenomen verdeling van de elementen is echter consistent met berekeningen, ervan uitgaande dat de waarde van alpha op dat moment precies hetzelfde was als de waarde van vandaag. Over de 2 miljard jaar moet de verandering van alfa dus kleiner zijn dan ongeveer 2 delen per 100 miljoen. Indien aanwezig, is dit inderdaad een vrij kleine verandering.
Maar hoe zit het met veranderingen veel eerder in de geschiedenis van het heelal?
Om dit te meten, moeten we middelen vinden om nog verder het verleden in te gaan. En dit is waar astronomie kan helpen. Want hoewel astronomen over het algemeen geen experimenten kunnen doen, is het heelal zelf een enorm laboratorium voor atoomfysica. Door zeer afgelegen objecten te bestuderen, kunnen astronomen over een lange periode terugkijken. Op deze manier wordt het mogelijk om de waarden van de fysische constanten te testen toen het heelal nog maar 25% van zijn huidige leeftijd had, dat wil zeggen ongeveer 10.000 miljoen jaar geleden.
Heel ver bakens
Om dit te doen, vertrouwen astronomen op spectroscopie - het meten van de eigenschappen van door materie uitgezonden of geabsorbeerd licht. Wanneer het licht van een vlam door een prisma wordt waargenomen, is er een regenboog zichtbaar. Bij het strooien van zout op de vlam worden duidelijke gele lijnen over de gebruikelijke kleuren van de regenboog gelegd, de zogenaamde emissielijnen. Door een gascel tussen de vlam en het prisma te plaatsen, zie je echter donkere lijnen op de regenboog: dit zijn absorptielijnen. De golflengte van deze emissie- en absorptiespectra-lijnen is direct gerelateerd aan de energieniveaus van de atomen in het zout of in het gas. Met spectroscopie kunnen we dus de atoomstructuur bestuderen.
De fijne structuur van atomen kan spectroscopisch worden waargenomen als de splitsing van bepaalde energieniveaus in die atomen. Dus als alpha in de loop van de tijd zou veranderen, zouden ook de emissie- en absorptiespectra van deze atomen veranderen. Een manier om te zoeken naar veranderingen in de waarde van alfa gedurende de geschiedenis van het heelal is daarom het meten van de spectra van verre quasars en het vergelijken van de golflengten van bepaalde spectraallijnen met de huidige waarden.
Quasars worden hier alleen gebruikt als baken - de vlam - in het zeer verre heelal. Interstellaire gaswolken in sterrenstelsels, gelegen tussen de quasars en ons op dezelfde gezichtslijn en op afstanden variërend van zes tot elfduizend miljoen lichtjaar, absorberen delen van het licht dat door de quasars wordt uitgezonden. Het resulterende spectrum vertoont daardoor donkere "valleien" die kunnen worden toegeschreven aan bekende elementen.
Als de constante met fijne structuur verandert tijdens de duur van de reis van het licht, zouden de energieniveaus in de atomen worden beïnvloed en zouden de golflengten van de absorptielijnen met verschillende hoeveelheden worden verschoven. Door de relatieve gaten tussen de valleien te vergelijken met de laboratoriumwaarden, is het mogelijk om alfa te berekenen als een functie van de afstand tot ons, dat wil zeggen als een functie van de leeftijd van het heelal.
Deze maatregelen zijn echter uiterst delicaat en vereisen een zeer goede modellering van de absorptielijnen. Ze stellen ook buitengewoon hoge eisen aan de kwaliteit van de astronomische spectra. Ze moeten voldoende resolutie hebben om zeer nauwkeurige meting van minuscule verschuivingen in de spectra mogelijk te maken. En er moet een voldoende aantal fotonen worden vastgelegd om een statistisch eenduidig resultaat te geven.
Hiervoor moeten astronomen zich wenden tot de meest geavanceerde spectrale instrumenten op de grootste telescopen. Dit is waar de ultraviolette en zichtbare echelle-spectrograaf (UVES) en ESO's Kueyen 8,2-meter telescoop bij de Paranal-sterrenwacht onverslaanbaar zijn, dankzij de ongeëvenaarde spectrale kwaliteit en het grote verzamelspiegeloppervlak van deze combinatie.
Constant of niet?
Een team van astronomen [1] onder leiding van Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris en Observatoire de Paris, Frankrijk) en Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, India) bestudeerde zeer zorgvuldig een homogeen monster van 50 absorptiesystemen waargenomen met UVES en Kueyen langs 18 verre quasars zichtlijnen. Ze namen de spectra van quasars op in totaal 34 nachten om de hoogst mogelijke spectrale resolutie en de beste signaal-ruisverhouding te bereiken. Geavanceerde automatische procedures die speciaal voor dit programma zijn ontworpen, werden toegepast.
Bovendien gebruikten de astronomen uitgebreide simulaties om te laten zien dat ze de lijnprofielen correct kunnen modelleren om een mogelijke variatie van alfa te herstellen.
Het resultaat van dit uitgebreide onderzoek is dat in de afgelopen 10.000 miljoen jaar de relatieve variatie van alfa minder dan 0,6 deel per miljoen moet zijn. Dit is de sterkste beperking tot nu toe uit onderzoeken naar quasarabsorptielijnen. Wat nog belangrijker is, dit nieuwe resultaat ondersteunt geen eerdere claims van een statistisch significante verandering van alfa met de tijd.
Interessant is dat dit resultaat wordt ondersteund door een andere - minder uitgebreide - analyse, ook uitgevoerd met de UVES-spectrometer op de VLT [2]. Hoewel deze waarnemingen alleen betrekking hadden op een van de helderste bekende quasar HE 0515-4414, ondersteunt deze onafhankelijke studie de hypothese van geen alfavariatie verder.
Hoewel deze nieuwe resultaten een aanzienlijke verbetering betekenen in onze kennis van de mogelijke (niet-) variatie van een van de fundamentele fysische constanten, zou de huidige set gegevens in principe nog steeds variaties mogelijk maken die relatief groot zijn in vergelijking met die welke voortvloeien uit de metingen van de Oklo natuurlijke reactor. Desalniettemin wordt verdere vooruitgang op dit gebied verwacht met de nieuwe zeer nauwkeurige radiale snelheidsspectrometer HARPS op ESO's 3,6-meter telescoop in het La Silla-observatorium (Chili). Deze spectrograaf werkt op de grens van moderne technologie en wordt meestal gebruikt om nieuwe planeten rond andere sterren dan de zon te detecteren - het kan een verbetering van de grootteorde opleveren voor het bepalen van de variatie van alfa.
Andere fundamentele constanten kunnen worden onderzocht met quasars. Door met name de golflengten van moleculaire waterstof in het verre heelal te bestuderen, kan men de variaties van de verhouding tussen de massa's van het proton en het elektron onderzoeken. Hetzelfde team is nu bezig met zo'n groot onderzoek met de Very Large Telescope dat tot ongekende beperkingen voor deze ratio zou moeten leiden.
Oorspronkelijke bron: ESO-persbericht
