Kredit gambar: ESO
Mengesan atau mengekang kemungkinan variasi masa bagi pemalar fizikal asas adalah langkah penting ke arah pemahaman yang lengkap mengenai fizik asas dan oleh itu dunia di mana kita hidup. Langkah di mana astrofizik terbukti paling berguna.
Pengukuran astronomi sebelumnya bagi pemalar struktur halus - nombor tanpa dimensi yang menentukan kekuatan interaksi antara zarah bermuatan dan medan elektromagnetik - menunjukkan bahawa pemalar tertentu ini meningkat sedikit demi sedikit. Sekiranya disahkan, ini akan memberi implikasi yang sangat mendalam bagi pemahaman kita mengenai fizik asas.
Kajian baru, yang dilakukan menggunakan spektrograf UVES di Kueyen, salah satu teleskop 8.2-m dari array Teleskop Sangat Besar ESO di Paranal (Chile), memperoleh data baru dengan kualiti yang belum pernah terjadi sebelumnya. Data-data ini, digabungkan dengan analisis yang sangat teliti, telah memberikan kekangan astronomi terkuat setakat ini mengenai kemungkinan variasi pemalar struktur halus. Mereka menunjukkan bahawa, bertentangan dengan tuntutan sebelumnya, tidak ada bukti untuk menganggap variasi masa pemalar asas ini.
Pemalar yang baik
Untuk menjelaskan Alam Semesta dan untuk merepresentasikannya secara matematik, para saintis bergantung pada apa yang disebut pemalar asas atau nombor tetap. Undang-undang asas fizik, seperti yang kita fahami sekarang, bergantung pada kira-kira 25 pemalar tersebut. Contoh yang terkenal ialah pemalar graviti, yang menentukan kekuatan daya yang bertindak antara dua badan, seperti Bumi dan Bulan, dan kelajuan cahaya.
Salah satu pemalar ini adalah apa yang disebut "pemalar struktur halus", alpha = 1 / 137.03599958, gabungan cas elektrik elektron, pemalar Planck dan kelajuan cahaya. Pemalar struktur halus menerangkan bagaimana daya elektromagnetik menahan atom dan cara cahaya berinteraksi dengan atom.
Tetapi adakah pemalar fizikal asas ini benar-benar berterusan? Adakah nombor itu selalu sama, di mana-mana di Alam Semesta dan setiap masa? Ini bukan soalan naif seperti yang kelihatannya. Teori-teori interaksi asas kontemporari, seperti Teori Penyatuan Grand atau teori rentetan yang memperlakukan mekanisme graviti dan kuantum secara konsisten, bukan sahaja meramalkan pergantungan pemalar fizikal asas dengan tenaga - eksperimen fizik partikel telah menunjukkan struktur halus tetap kepada berkembang menjadi nilai kira-kira 1/128 pada tenaga perlanggaran tinggi - tetapi membenarkan variasi masa dan ruang kosmologi mereka. Pergantungan masa dari pemalar asas juga dapat timbul dengan mudah jika, selain tiga dimensi ruang, ada lebih banyak dimensi tersembunyi.
Sudah pada tahun 1955, ahli fizik Rusia Lev Landau mempertimbangkan kemungkinan pergantungan waktu dari alpha. Pada akhir 1960-an, George Gamow di Amerika Syarikat mencadangkan bahawa cas elektron, dan oleh itu juga alpha, mungkin berbeza. Namun jelas bahawa perubahan tersebut, jika ada, tidak dapat besar atau mereka sudah dapat dikesan dalam eksperimen yang relatif sederhana. Menjejaki kemungkinan perubahan ini memerlukan teknik yang paling canggih dan tepat.
Mengimbas kembali masa
Sebenarnya, kekangan yang cukup kuat sudah diketahui wujud untuk kemungkinan variasi alfa pemalar struktur halus. Satu kekangan tersebut adalah dari segi geologi. Ini berdasarkan langkah-langkah yang diambil di reaktor pembelahan semula jadi kuno yang terletak berhampiran Oklo (Gabon, Afrika Barat) dan yang aktif kira-kira 2.000 juta tahun yang lalu. Dengan mengkaji pengedaran sekumpulan elemen tertentu - isotop nadir bumi, contohnya samarium - yang dihasilkan oleh pembelahan uranium, seseorang dapat menganggarkan sama ada proses fizikal berlaku pada kadar yang lebih cepat atau lebih lambat daripada yang kita harapkan pada masa kini. Oleh itu, kita dapat mengukur kemungkinan perubahan nilai pemalar asas yang bermain di sini, alpha. Walau bagaimanapun, taburan unsur-unsur yang diperhatikan adalah konsisten dengan pengiraan dengan anggapan bahawa nilai alpha pada masa itu sama dengan nilai hari ini. Selama 2 bilion tahun, perubahan alpha harus lebih kecil daripada sekitar 2 bahagian per 100 juta. Sekiranya hadir sama sekali, ini adalah perubahan yang agak kecil.
Tetapi bagaimana dengan perubahan yang jauh lebih awal dalam sejarah Alam Semesta?
Untuk mengukur ini, kita mesti mencari kaedah untuk menyiasat masa lalu. Dan di sinilah astronomi dapat membantu. Kerana, walaupun ahli astronomi pada umumnya tidak dapat melakukan eksperimen, Alam Semesta itu sendiri adalah makmal fizik atom yang besar. Dengan mengkaji objek yang sangat terpencil, ahli astronomi dapat melihat kembali jangka masa yang panjang. Dengan cara ini menjadi mungkin untuk menguji nilai-nilai pemalar fizikal ketika Alam Semesta hanya mempunyai 25% dari usia sekarang, iaitu sekitar 10,000 juta tahun yang lalu.
Suar yang sangat jauh
Untuk melakukannya, ahli astronomi bergantung pada spektroskopi - pengukuran sifat cahaya yang dipancarkan atau diserap oleh jirim. Apabila cahaya dari api diperhatikan melalui prisma, pelangi dapat dilihat. Semasa menaburkan garam pada api, garis kuning yang berbeza ditumpangkan pada warna pelangi biasa, yang disebut garis pelepasan. Dengan meletakkan sel gas antara api dan prisma, seseorang melihat garis gelap ke pelangi: ini adalah garis penyerapan. Panjang gelombang garis spektrum pelepasan dan penyerapan ini secara langsung berkaitan dengan tahap tenaga atom dalam garam atau gas. Dengan demikian, spektroskopi membolehkan kita mengkaji struktur atom.
Struktur atom halus dapat dilihat secara spektroskopi sebagai pemisahan tahap tenaga tertentu pada atom-atom tersebut. Jadi jika alpha berubah dari masa ke masa, spektrum pelepasan dan penyerapan atom ini juga akan berubah. Oleh itu, salah satu cara untuk mencari perubahan nilai alpha dalam sejarah Alam Semesta adalah dengan mengukur spektrum kuarsa jauh, dan membandingkan panjang gelombang garis spektrum tertentu dengan nilai masa kini.
Quasar hanya digunakan sebagai suar - nyala api - di Alam Semesta yang sangat jauh. Awan gas antara bintang di galaksi, yang terletak di antara kuasar dan kita pada garis pandang yang sama dan pada jarak yang berbeza antara enam hingga sebelas ribu juta tahun cahaya, menyerap bahagian cahaya yang dipancarkan oleh kuasar. Spektrum yang dihasilkan seterusnya menghasilkan "lembah" gelap yang dapat dikaitkan dengan unsur-unsur terkenal.
Sekiranya pemalar struktur halus berlaku sepanjang tempoh perjalanan cahaya, tahap tenaga dalam atom akan terjejas dan panjang gelombang garis penyerapan akan dialihkan dengan jumlah yang berbeza. Dengan membandingkan jurang relatif antara lembah dengan nilai makmal, adalah mungkin untuk mengira alpha sebagai fungsi jarak dari kita, iaitu sebagai fungsi dari usia Alam Semesta.
Langkah-langkah ini bagaimanapun sangat halus dan memerlukan pemodelan garis penyerapan yang sangat baik. Mereka juga meletakkan syarat yang sangat kuat pada kualiti spektrum astronomi. Mereka mesti mempunyai resolusi yang cukup untuk memungkinkan pengukuran pergeseran minuscule yang sangat tepat dalam spektrum. Dan jumlah foton yang mencukupi mesti ditangkap untuk memberikan hasil yang tidak jelas secara statistik.
Untuk ini, ahli astronomi harus beralih ke instrumen spektrum paling maju di teleskop terbesar. Di sinilah teleskop Ultra-ungu dan Echelle Spectrograph (UVES) dan ESO Kueyen 8.2-m di Balai Cerap Paranal tidak dapat dikalahkan, berkat kualiti spektrum yang tiada tandingan dan kawasan cermin pengumpul yang besar dari kombinasi ini.
Tetap atau tidak?
Pasukan ahli astronomi [1], yang diketuai oleh Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris dan Observatoire de Paris, Perancis) dan Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, India) dengan teliti mengkaji sampel homogen dari 50 sistem penyerapan yang diperhatikan dengan UVES dan Kueyen sepanjang 18 garis penglihatan quasar yang jauh. Mereka merakam spektrum kuarsa selama 34 malam untuk mencapai resolusi spektrum tertinggi dan nisbah isyarat-ke-bunyi terbaik. Prosedur automatik yang canggih yang direka khas untuk program ini diterapkan.
Sebagai tambahan, para astronom menggunakan simulasi yang luas untuk menunjukkan bahawa mereka dapat memodelkan profil garis dengan betul untuk memulihkan kemungkinan variasi alpha.
Hasil kajian yang luas ini adalah bahawa selama 10,000 juta tahun terakhir, variasi relatif alpha mestilah kurang dari 0,6 bahagian per juta. Ini adalah kekangan paling kuat dari kajian garis penyerapan quasar hingga kini. Lebih penting lagi, hasil baru ini tidak menyokong tuntutan sebelumnya mengenai perubahan alpha yang signifikan secara statistik dengan masa.
Menariknya, hasil ini disokong oleh analisis lain - yang kurang luas, juga dilakukan dengan spektrometer UVES pada VLT [2]. Walaupun pemerhatian tersebut hanya berkaitan dengan salah satu quasar HE 0515-4414 yang paling terang, kajian bebas ini memberi sokongan lebih lanjut kepada hipotesis tidak ada variasi alpha.
Walaupun hasil baru ini menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam pengetahuan kami mengenai kemungkinan variasi (bukan) dari salah satu pemalar fizikal asas, kumpulan data ini pada dasarnya masih membenarkan variasi yang relatif besar dibandingkan dengan yang dihasilkan dari pengukuran dari reaktor semula jadi Oklo. Walaupun begitu, kemajuan lebih lanjut dalam bidang ini diharapkan dengan spektrometer kecepatan radial ketepatan tinggi HARPS baru pada teleskop 3.6 m ESO di Balai Cerap La Silla (Chile). Spektrograf ini berfungsi mengikut had teknologi moden dan kebanyakannya digunakan untuk mengesan planet baru di sekitar bintang selain Matahari - ia mungkin memberikan susunan peningkatan besar pada penentuan variasi alpha.
Pemalar asas lain boleh disiasat menggunakan kuarsar. Khususnya, dengan mengkaji panjang gelombang hidrogen molekul di Alam Semesta yang terpencil, seseorang dapat memeriksa variasi nisbah antara massa proton dan elektron. Pasukan yang sama sekarang terlibat dalam tinjauan besar dengan Teleskop Sangat Besar yang seharusnya menimbulkan kekangan yang belum pernah terjadi sebelumnya terhadap nisbah ini.
Sumber Asal: Siaran Berita ESO
