이미지 크레디트 : ESO
기본 물리 상수의 가능한 시간 변화를 감지하거나 제한하는 것은 기본 물리와 그에 따라 우리가 사는 세계를 완전히 이해하기위한 중요한 단계입니다. 천체 물리학이 가장 유용한 단계입니다.
하전 입자와 전자기장 사이의 상호 작용의 강도를 결정하는 치수가없는 수인 미세 구조 상수의 이전 천문학적 측정은이 특정 상수가 시간이 지남에 따라 약간 증가하고 있음을 시사했습니다. 확인되면, 기본 물리에 대한 이해에 매우 중요한 영향을 미칩니다.
Paranal (칠레)에 위치한 ESO의 매우 큰 망원경 배열 8.2m 망원경 중 하나 인 Kueyen의 UVES 분광기를 사용하여 수행 된 새로운 연구는 전례없는 품질로 새로운 데이터를 확보했습니다. 이러한 데이터는 매우 신중한 분석과 함께 미세 구조 상수의 가능한 변동에 대한 가장 강력한 천문학적 제약을 제공했습니다. 그들은 이전의 주장과 달리이 기본 상수의 시간 변화를 가정 한 증거가 없음을 보여줍니다.
좋은 상수
우주를 설명하고 수학적으로 표현하기 위해 과학자들은 소위 기본 상수 또는 고정 숫자에 의존합니다. 우리가 현재 이해하고있는 물리의 기본 법칙은 약 25 개의 상수에 달려 있습니다. 잘 알려진 예로는 지구와 달과 같은 두 물체 사이에 작용하는 힘의 강도와 빛의 속도를 정의하는 중력 상수가 있습니다.
이러한 상수 중 하나는 소위 "정밀 구조 상수", α = 1 / 137.03599958, 전자의 전하, 플랑크 상수 및 광속의 조합입니다. 미세 구조 상수는 전자기력이 어떻게 원자를 함께 유지하고 빛이 원자와 상호 작용하는 방식을 설명합니다.
그러나이 기본 물리 상수는 실제로 일정합니까? 그 숫자는 우주 어디에서나 항상 동일합니까? 이것은 보이는 것처럼 순진한 질문이 아닙니다. 중대 및 양자 역학을 일관된 방식으로 처리하는 대 통일 이론 또는 수퍼 스트링 이론과 같은 기본 상호 작용에 대한 현대 이론은 에너지에 대한 기본 물리 상수의 의존성을 예측할뿐만 아니라 입자 물리학 실험에서 미세한 구조 상수를 보여주었습니다. 높은 충돌 에너지에서 약 1/128의 값으로 성장하지만 우주적 시간과 공간 변화를 허용합니다. 3 차원 공간 외에 숨겨진 치수가 더 있으면 기본 상수의 시간 의존도 쉽게 발생할 수 있습니다.
1955 년에 이미 러시아 물리학 자 Lev Landau는 알파의 시간 의존성의 가능성을 고려했습니다. 1960 년대 후반 미국의 George Gamow는 전자의 전하, 그리고 따라서 알파가 변할 수 있다고 제안했다. 그러나 그러한 변화가 있다면 크지 않거나 비교적 간단한 실험에서 이미 발견되었을 것입니다. 따라서 이러한 가능한 변경 사항을 추적하려면 가장 정교하고 정확한 기술이 필요합니다.
시간을 거슬러
실제로, 미세 구조 상수 알파의 가능한 변동에 대한 상당히 강한 제약이 이미 알려져있다. 그러한 제약 중 하나는 지질 학적 성질이다. 그것은 오클로 (서 아프리카 가봉) 근처에 위치한 고대 자연 분열 원자로에서 취해진 조치를 기반으로하며 약 2 억년 전에 활성화되었습니다. 우라늄 분열에 의해 생성 된 희토류의 동위 원소와 같은 주어진 원소 세트의 분포를 연구함으로써 물리적 과정이 예상보다 빠르거나 느린 속도로 발생했는지 추정 할 수 있습니다. 요즘. 따라서 여기서 우리는 놀이에서 기본 상수 값의 가능한 변화, 알파를 측정 할 수 있습니다. 그러나 요소의 관측 분포는 당시의 알파 값이 오늘의 값과 정확히 같다고 가정 할 때 계산과 일치합니다. 20 억 년 동안 알파의 변화는 1 억 개당 약 2 개 부품보다 작아야합니다. 전혀 없다면, 이것은 실제로 약간의 변화입니다.
그러나 우주 역사에서 훨씬 더 일찍 변화는 어떻습니까?
이를 측정하기 위해 우리는 여전히 과거를 더 조사 할 수단을 찾아야합니다. 그리고 이것이 천문학이 도울 수있는 곳입니다. 천문학 자들은 일반적으로 실험을 할 수 없지만 우주 자체는 거대한 원자 물리학 실험실입니다. 매우 먼 물체를 연구함으로써 천문학 자들은 오랜 기간 동안 되돌아 볼 수 있습니다. 이러한 방식으로, 우주가 25 세의 나이, 즉 약 1 억년 전일 때 물리 상수의 값을 테스트하는 것이 가능해진다.
아주 비콘
그렇게하기 위해 천문학 자들은 분광학 (물질에 의해 방출되거나 흡수 된 빛의 특성 측정)에 의존합니다. 불꽃으로부터의 빛이 프리즘을 통해 관찰되면 무지개가 보입니다. 화염에 소금을 뿌릴 때, 독특한 황색 선이 무지개의 일반적인 색상, 소위 방출 선에 겹쳐집니다. 불꽃과 프리즘 사이에 가스 셀을 넣으면 무지개에 어두운 선이 보입니다. 이것은 흡수 선입니다. 이들 방출 및 흡수 스펙트럼 라인의 파장은 염 또는 가스 중의 원자의 에너지 수준과 직접 관련된다. 분광법은 원자 구조를 연구 할 수있게 해줍니다.
원자의 미세 구조는 원자에서 특정 에너지 수준의 분리로 분 광학적으로 관찰 될 수 있습니다. 알파가 시간이 지남에 따라 변한다면,이 원자들의 방출과 흡수 스펙트럼도 변할 것입니다. 우주 역사에서 알파 값의 변화를 찾는 한 가지 방법은 먼 퀘이사의 스펙트럼을 측정하고 특정 스펙트럼 선의 파장을 현재 값과 비교하는 것입니다.
퀘이사는 여기서 아주 먼 우주에서 비콘 (화염)으로 만 사용됩니다. 퀘이사들과 우리 사이에 같은 시선에 위치하고 6 백만에서 1 억 1 천만 광년에 이르는 거리에있는 은하의 성간 가스 구름은 퀘이사에서 방출 된 빛의 일부를 흡수합니다. 결과적인 스펙트럼은 결과적으로 잘 알려진 요소에 기인 할 수있는 어두운 "밸리"를 나타냅니다.
빛의 진행 시간 동안 미세 구조 상수가 변하면 원자의 에너지 수준에 영향을 미치고 흡수선의 파장이 다른 양만큼 이동합니다. 계곡들 사이의 상대 갭을 실험실 값과 비교함으로써, 알파는 우리로부터의 거리의 함수, 즉 우주의 나이의 함수로서 계산할 수 있습니다.
그러나 이러한 측정은 매우 정교하며 흡수 라인의 매우 우수한 모델링이 필요합니다. 또한 천문학 스펙트럼의 품질에 대한 요구 사항이 매우 강력합니다. 스펙트럼에서 미세한 변화를 매우 정확하게 측정 할 수있을만큼 충분한 해상도를 가져야합니다. 그리고 통계적으로 분명한 결과를 제공하기 위해서는 충분한 수의 광자가 포착되어야합니다.
이를 위해 천문학 자들은 가장 큰 망원경의 최첨단 스펙트럼 기기를 사용해야합니다. 이것은 Paranal Observatory에서 자외선 및 가시광 에셀 분광기 (UVES)와 ESO의 Kueyen 8.2m 망원경이 비교할 수없는 곳입니다.
일정하지 않습니까?
패트릭 프티 Paris (Paris Petitjean) (파리 인스티튜트 파리 및 프랑스 파리 오브 저 바토리 드 파리)이 이끄는 천문학 자 팀 [1]과 Raghunathan Srianand (인도 IUCAA 푸네)는 UVES와 Kueyen에서 관찰 된 50 가지 흡수 시스템의 균일 한 샘플을 매우 신중하게 연구했습니다. 18 개의 먼 퀘이사 라인을 따라. 그들은 총 34 개의 밤 동안 퀘이사의 스펙트럼을 기록하여 가능한 최고의 스펙트럼 분해능과 최고의 신호대 잡음비를 달성했습니다. 이 프로그램을 위해 특별히 설계된 정교한 자동 절차가 적용되었습니다.
또한 천문학 자들은 광범위한 시뮬레이션을 사용하여 알파 프로파일의 가능한 변형을 복구하기 위해 라인 프로파일을 올바르게 모델링 할 수 있음을 보여주었습니다.
이 광범위한 연구의 결과는 지난 1 억 년 동안 알파의 상대적 변동이 백만 분의 일 미만이어야한다는 것입니다. 이것은 퀘이사 흡수 라인 연구에서 현재까지 가장 강력한 제약입니다. 더 중요한 것은,이 새로운 결과는 시간이 지남에 따라 통계적으로 유의미한 알파 변화에 대한 이전의 주장을 뒷받침하지 않습니다.
흥미롭게도이 결과는 VLT의 UVES 분광계를 사용하여 덜 광범위한 다른 분석에 의해 뒷받침됩니다 [2]. 이러한 관측이 가장 밝고 알려진 퀘이사 HE 0515-4414 중 하나에 만 관심이 있었지만,이 독립적 인 연구는 알파 변이가 없다는 가설에 대한 추가 지원을 제공합니다.
이러한 새로운 결과가 기본 물리 상수 중 하나의 가능한 (비) 변동에 대한 지식의 상당한 개선을 나타내더라도, 현재의 데이터 세트는 원칙적으로 측정 결과에 비해 비교적 큰 변동을 허용합니다. 오클로 천연 원자로에서. 그럼에도 불구하고 La Silla Observatory (칠레)에 위치한 ESO 3.6m 망원경의 새로운 초정밀 반경 속도 분광계 HARPS를 통해이 분야의 추가 발전이 예상됩니다. 이 분광기는 현대 기술의 한계에서 작동하며 주로 태양 이외의 별 주위의 새로운 행성을 탐지하는 데 사용됩니다. 알파의 변화를 결정하는 데있어 상당한 개선 효과를 제공 할 수 있습니다.
다른 기본 상수는 쿼사를 사용하여 조사 할 수 있습니다. 특히, 원격 우주에서 분자 수소의 파장을 연구함으로써, 양성자의 질량과 전자 사이의 비율의 변화를 조사 할 수 있습니다. 같은 팀이 매우 큰 망원경으로이 대규모 조사에 참여하여이 비율에 대한 전례없는 제약을 가져 왔습니다.
원본 출처 : ESO 뉴스 릴리스
