حقوق الصورة: ESO
إن اكتشاف أو تقييد التغيرات الزمنية المحتملة للثوابت الفيزيائية الأساسية هو خطوة مهمة نحو الفهم الكامل للفيزياء الأساسية وبالتالي العالم الذي نعيش فيه. خطوة أثبتت فيها الفيزياء الفلكية أنها مفيدة للغاية.
تشير القياسات الفلكية السابقة لثابت البنية الدقيقة - الرقم الذي لا أبعاد له الذي يحدد قوة التفاعلات بين الجسيمات المشحونة والمجالات الكهرومغناطيسية - إلى أن هذا الثابت الخاص يتزايد بشكل طفيف للغاية مع مرور الوقت. إذا تم التأكيد ، فسيكون لذلك آثارًا عميقة جدًا على فهمنا للفيزياء الأساسية.
دراسات جديدة أُجريت باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية على Kueyen ، أحد التلسكوبات البالغ طولها 8.2 متر من مجموعة التلسكوب الكبيرة جدًا من ESO في Paranal (شيلي) ، حصلت على بيانات جديدة بجودة غير مسبوقة. قدمت هذه البيانات ، إلى جانب تحليل دقيق للغاية ، أقوى القيود الفلكية حتى الآن على الاختلاف المحتمل لثابت البنية الدقيقة. يظهرون أنه على عكس الادعاءات السابقة ، لا يوجد دليل لافتراض اختلاف زمني لهذا الثابت الأساسي.
ثابت جيد
لشرح الكون وتمثيله رياضياً ، يعتمد العلماء على ما يسمى الثوابت الأساسية أو الأرقام الثابتة. تعتمد القوانين الأساسية للفيزياء ، كما نفهمها حاليًا ، على حوالي 25 من هذه الثوابت. الأمثلة المعروفة هي ثابت الجاذبية ، الذي يحدد قوة القوة التي تعمل بين جسدين ، مثل الأرض والقمر ، وسرعة الضوء.
أحد هذه الثوابت هو ما يسمى "ثابت البنية الدقيقة" ، ألفا = 1 / 137.03599958 ، وهو مزيج من الشحنة الكهربائية للإلكترون وثابت بلانك وسرعة الضوء. يصف ثابت البنية الدقيقة كيف تربط القوى الكهرومغناطيسية الذرات ببعضها البعض وكيف تتفاعل الضوء مع الذرات.
ولكن هل هذه الثوابت الفيزيائية الأساسية ثابتة حقًا؟ هل هذه الأرقام هي نفسها دائمًا ، في كل مكان في الكون وفي جميع الأوقات؟ هذا ليس سؤال ساذج كما قد يبدو. النظريات المعاصرة للتفاعلات الأساسية ، مثل نظرية التوحيد الكبرى أو نظريات الأوتار الفائقة التي تعالج الجاذبية وميكانيكا الكم بطريقة متسقة ، لا تتنبأ فقط باعتماد الثوابت الفيزيائية الأساسية مع الطاقة - أظهرت تجارب فيزياء الجسيمات ثبات البنية الدقيقة ل تنمو إلى قيمة حوالي 1/128 عند طاقات تصادم عالية - ولكنها تسمح بتنوعها في الزمان والمكان. يمكن أن ينشأ الاعتماد على الوقت للثوابت الأساسية بسهولة إذا كان هناك ، بالإضافة إلى الأبعاد الفضائية الثلاثة ، المزيد من الأبعاد المخفية.
بالفعل في عام 1955 ، اعتبر الفيزيائي الروسي ليف لانداو إمكانية اعتماد ألفا على الوقت. في أواخر الستينيات ، اقترح جورج جامو في الولايات المتحدة أن شحنة الإلكترون ، وبالتالي ألفا ، قد تختلف. ومع ذلك ، من الواضح أن هذه التغييرات ، إن وجدت ، لا يمكن أن تكون كبيرة أو أنها قد تم اكتشافها بالفعل في تجارب بسيطة نسبيًا. وبالتالي فإن تتبع هذه التغييرات المحتملة يتطلب أكثر التقنيات تعقيدًا ودقة.
إذا نظرنا إلى الوراء في الوقت المناسب
في الواقع ، من المعروف بالفعل وجود قيود قوية جدًا للتغير المحتمل في ألفا ثابت البنية الدقيقة. أحد هذه القيود هو ذات طبيعة جيولوجية. ويستند إلى التدابير المتخذة في مفاعل الانشطار الطبيعي القديم الموجود بالقرب من أوكلو (الغابون ، غرب أفريقيا) والذي كان نشطًا منذ 2000 مليون سنة تقريبًا. من خلال دراسة توزيع مجموعة معينة من العناصر - نظائر الأرض النادرة ، مثل السماريوم - التي تم إنتاجها بواسطة انشطار اليورانيوم ، يمكن للمرء تقدير ما إذا كانت العملية الفيزيائية حدثت بوتيرة أسرع أو أبطأ مما كنا نتوقعه الوقت الحاضر. وهكذا يمكننا قياس التغيير المحتمل لقيمة الثابت الأساسي في اللعب هنا ، ألفا. ومع ذلك ، فإن التوزيع المرصود للعناصر يتسق مع الحسابات التي تفترض أن قيمة ألفا في ذلك الوقت كانت بالضبط نفس القيمة اليوم. على مدى 2 مليار سنة ، يجب أن يكون تغيير ألفا أصغر من حوالي جزأين لكل 100 مليون. إذا كان موجودًا على الإطلاق ، فهذا تغيير صغير إلى حد ما.
ولكن ماذا عن التغيرات المبكرة في تاريخ الكون؟
لقياس هذا يجب أن نجد وسائل للتحقيق أبعد من ذلك في الماضي. وهنا يمكن أن يساعد علم الفلك. لأنه على الرغم من أن الفلكيين لا يمكنهم إجراء التجارب بشكل عام ، إلا أن الكون نفسه هو معمل ضخم للفيزياء الذرية. من خلال دراسة الأشياء البعيدة ، يمكن لعلماء الفلك أن ينظروا إلى الوراء على مدى فترة زمنية طويلة. وبهذه الطريقة يصبح من الممكن اختبار قيم الثوابت الفيزيائية عندما يكون للكون 25٪ فقط من العصر الحالي ، أي قبل حوالي 10000 مليون سنة.
منارات بعيدة جداً
للقيام بذلك ، يعتمد الفلكيون على التحليل الطيفي - قياس خصائص الضوء المنبعث أو الممتص من المادة. عند ملاحظة الضوء من اللهب من خلال منشور ، يظهر قوس قزح. عند رش الملح على اللهب ، يتم فرض خطوط صفراء مميزة على الألوان المعتادة لقوس قزح ، وتسمى خطوط الانبعاث. بوضع خلية غاز بين اللهب والمنشور ، يرى المرء خطوطًا داكنة على قوس قزح: هذه خطوط امتصاص. يرتبط الطول الموجي لخطوط أطياف الانبعاث والامتصاص هذه مباشرة بمستويات الطاقة للذرات في الملح أو في الغاز. وهكذا يتيح لنا التحليل الطيفي دراسة التركيب الذري.
يمكن ملاحظة البنية الدقيقة للذرات من خلال التحليل الطيفي لتقسيم مستويات طاقة معينة في تلك الذرات. لذا إذا تغيرت ألفا بمرور الوقت ، فإن أطياف الانبعاث والامتصاص لهذه الذرات ستتغير أيضًا. إحدى الطرق للبحث عن أي تغيرات في قيمة ألفا عبر تاريخ الكون هي قياس أطياف الكوازارات البعيدة ، ومقارنة أطوال الموجات لخطوط طيفية معينة مع قيم الحاضر.
تستخدم الكوازارات هنا فقط كمنارة - الشعلة - في الكون البعيد جدًا. إن السحب الغازية بين النجوم في المجرات ، الواقعة بين الكوازارات وبيننا على نفس خط الرؤية وعلى مسافات تتراوح من ستة إلى أحد عشر ألف مليون سنة ضوئية ، تمتص أجزاء من الضوء المنبعث من النجوم الزائفة. ونتيجة لذلك ، يقدم الطيف الناتج "أودية" مظلمة يمكن أن تعزى إلى عناصر معروفة جيدًا.
إذا حدث تغير ثابت في البنية الدقيقة خلال مدة رحلة الضوء ، فإن مستويات الطاقة في الذرات ستتأثر وستتغير أطوال موجات خطوط الامتصاص بكميات مختلفة. من خلال مقارنة الفجوات النسبية بين الوديان والقيم المختبرية ، من الممكن حساب ألفا كدالة للمسافة منا ، أي كدالة لعمر الكون.
هذه المقاييس حساسة للغاية وتتطلب نمذجة جيدة جدًا لخطوط الامتصاص. كما أنها وضعت متطلبات قوية للغاية على جودة الأطياف الفلكية. يجب أن يكون لديهم دقة كافية للسماح بقياس دقيق للغاية للتحولات الصغيرة في الأطياف. ويجب التقاط عدد كاف من الفوتونات من أجل توفير نتيجة لا لبس فيها إحصائيًا.
لهذا ، يجب على علماء الفلك أن يتجهوا إلى أكثر الأجهزة الطيفية تقدمًا في أكبر المقاريب. هذا هو المكان الذي لا يهزم فيه جهاز التصوير الطيفي فوق البنفسجي والفيزيلي المرئي (UVES) وتلسكوب Kueyen 8.2-m من ESO في مرصد بارانال ، وذلك بفضل الجودة الطيفية التي لا مثيل لها ومنطقة مرآة التجميع الكبيرة لهذا المزيج.
ثابت أم لا؟
قام فريق من علماء الفلك [1] ، بقيادة باتريك بيتيتجين (معهد باريس للفيزياء الفلكية ومرصد باريس ، فرنسا) وراغوناثان سرياناند (IUCAA Pune ، الهند) بدراسة بعناية لعينة متجانسة من 50 نظام امتصاص تمت ملاحظتها باستخدام UVES و Kueyen. على طول 18 خط رؤية بعيد لأشباه النجوم. سجلوا أطياف النجوم الزائفة على مدى 34 ليلة لتحقيق أعلى دقة طيفية ممكنة وأفضل نسبة إشارة إلى ضوضاء. تم تطبيق الإجراءات التلقائية المتطورة المصممة خصيصًا لهذا البرنامج.
بالإضافة إلى ذلك ، استخدم الفلكيون عمليات محاكاة واسعة النطاق لإظهار أنه يمكنهم نمذجة ملفات تعريف الخط بشكل صحيح لاستعادة اختلاف محتمل لألفا.
نتيجة هذه الدراسة المكثفة هي أنه على مدى 10000 مليون سنة الماضية ، يجب أن يكون الاختلاف النسبي لألفا أقل من 0.6 جزء لكل مليون. هذا هو أقوى عائق من دراسات خطوط امتصاص الكوازار حتى الآن. والأهم من ذلك ، أن هذه النتيجة الجديدة لا تدعم الادعاءات السابقة حول التغيير الهام إحصائيًا لألفا بمرور الوقت.
ومن المثير للاهتمام أن هذه النتيجة مدعومة بتحليل آخر - أقل شمولاً - تم إجراؤه أيضًا باستخدام مقياس طيف الأشعة فوق البنفسجية على VLT [2]. على الرغم من أن هذه الملاحظات كانت معنية فقط بواحدة من ألمع الكوازار المعروف HE 0515-4414 ، فإن هذه الدراسة المستقلة تقدم المزيد من الدعم لفرضية عدم وجود اختلاف في ألفا.
على الرغم من أن هذه النتائج الجديدة تمثل تحسنًا كبيرًا في معرفتنا بالتغير المحتمل (غير) لأحد الثوابت الفيزيائية الأساسية ، فإن المجموعة الحالية من البيانات ستظل تسمح مبدئيًا بتغيرات كبيرة نسبيًا مقارنة بتلك الناتجة عن القياسات من مفاعل أوكلو الطبيعي. ومع ذلك ، من المتوقع إحراز مزيد من التقدم في هذا المجال مع مطياف السرعة الشعاعية الجديد عالي الدقة للغاية HARPS على تلسكوب ESO الذي يبلغ طوله 3.6 متر في مرصد لا سيلا (تشيلي). يعمل هذا المخطط الطيفي في حدود التكنولوجيا الحديثة ويستخدم في الغالب للكشف عن الكواكب الجديدة حول النجوم بخلاف الشمس - قد يوفر ترتيبًا لتحسين الحجم على تحديد تباين ألفا.
يمكن التحقق من الثوابت الأساسية الأخرى باستخدام الكوازارات. على وجه الخصوص ، من خلال دراسة الأطوال الموجية للهيدروجين الجزيئي في الكون البعيد ، يمكن للمرء أن يسبر اختلافات النسبة بين كتل البروتون والإلكترون. يشارك نفس الفريق الآن في مثل هذا المسح الكبير مع التلسكوب الكبير جدًا الذي يجب أن يؤدي إلى قيود غير مسبوقة على هذه النسبة.
المصدر الأصلي: نشرة إسو الإخبارية
