Ett grundläggande antal som påverkar färgen på ljus som släpps ut av atomer såväl som alla kemiska interaktioner har inte förändrats på mer än 7 miljarder år, enligt observationer från ett team av astronomer som kartlägger utvecklingen av galaxer och universum.
Resultaten rapporteras idag (måndag 18 april) vid det årliga mötet i American Physical Society (APS) av astronomen Jeffrey Newman, en Hubble-medarbetare vid Lawrence Berkeley National Laboratory som representerar DEEP2, ett samarbete under ledning av University of California, Berkeley och UC Santa Cruz. Newman presenterar uppgifterna och en uppdatering om DEEP2-projektet kl. EDT-presskonferens på Marriott Waterside Hotel i Tampa, Fla.
Den fina strukturkonstanten, en av en handfull rena siffror som spelar en central roll i fysiken, dyker upp i nästan alla ekvationer som involverar elektricitet och magnetism, inklusive de som beskriver utsläpp av elektromagnetiska vågor - ljus - av atomer. Trots sin grundläggande karaktär har emellertid vissa teoretiker föreslagit att det förändras subtilt då universum åldras, vilket återspeglar en förändring i attraktionen mellan atomkärnan och elektroner som surrar runt den.
Under de senaste åren har en grupp australiensiska astronomer rapporterat att konstanten har ökat under universumets livstid med ungefär en del av 100 000, baserat på dess mätningar av absorptionen av ljus från avlägsna kvasarer när ljuset passerar genom galaxer närmare till oss. Andra astronomer har dock inte hittat någon sådan förändring med samma teknik.
De nya observationerna från DEEP2-undersökningsteamet använder en mer direkt metod för att ge ett oberoende mått på konstanten och visar ingen förändring inom en del av 30 000.
”Den fina strukturkonstanten ställer in styrkan hos den elektromagnetiska kraften, vilket påverkar hur atomerna håller samman och energinivåerna i en atom. På någon nivå hjälper det att ställa in skalan på alla vanliga ämnen som består av atomer, ”sade Newman. "Detta nollresultat innebär att teoretiker inte behöver hitta en förklaring till varför det skulle förändras så mycket."
Den fina strukturkonstanten, betecknad med den grekiska bokstaven alfa, är ett förhållande mellan andra ”konstanter” av naturen som i vissa teorier kan förändras under den kosmiska tiden. Lika med kvadratet för laddningen för elektronen dividerat med ljusets hastighet Plancks konstant, alfa skulle förändras enligt en ny teori, bara om ljusets hastighet förändrades med tiden. Vissa teorier om mörk energi eller storslagen enhet, särskilt de som involverar många extra dimensioner utöver de fyra i rymden och tiden som vi är bekanta med, förutsäger en gradvis utveckling av den fina strukturkonstanten, sade Newman.
DEEP2 är en femårig undersökning av galaxer på mer än 7 till 8 miljarder ljusår avlägsna vars ljus har sträckts ut eller omskiftats för att nästan fördubbla sin ursprungliga våglängd genom universums expansion. Även om samarbetsprojektet, som stöds av National Science Foundation, inte var utformat för att leta efter variation i den fina strukturkonstanten, blev det tydligt att en delmängd av de hittills observerade 40.000 galaxerna skulle tjäna detta syfte.
"I denna gigantiska undersökning visar det sig att en liten bråkdel av uppgifterna verkar vara perfekt för att besvara frågan som Jeff ställer", säger DEEP2: s huvudutredare Marc Davis, professor i astronomi och fysik vid UC Berkeley. "Denna undersökning är verkligen ett allmänt syfte och kommer att tjäna en miljon användningsområden."
För flera år sedan påpekade astronomen John Bahcall från Institute for Advanced Study att mätningen av utsläppslinjer från avlägsna galaxer skulle vara mer direkt och mindre felaktig att mäta absorptionslinjer vid sökningen efter variationer i konstant finstruktur. Newman insåg snabbt att DEEP2-galaxer som innehåller syreemissionsledningar passade perfekt för att ge ett exakt mått på alla förändringar.
"När de motsägelsefulla resultaten från absorptionslinjer började dyka upp, tänkte jag att eftersom vi har alla dessa höga röda förskjutningsgalaxier, kanske vi kan göra något inte med absorptionslinjer, men med utsläppslinjer i vårt prov," sa Newman. "Utsläppsledningar skulle vara mycket annorlunda om den fina strukturkonstanten förändras."
DEEP2-uppgifterna tillät Newman och hans kollegor att mäta våglängden för utsläppslinjer för joniserat syre (OIII, det vill säga syre som har tappat två elektroner) till en precision som är bättre än 0,01 Ångström av 5 000 Ångström. En ångström, ungefär en väteatoms bredd, motsvarar 10 nanometer.
"Det här är en precision som överträffades endast av människor som försöker leta efter planeter," sade han och hänvisade till upptäckt av svaga wobblar i stjärnor på grund av planeter som drar i stjärnan.
DEEP2-teamet jämförde våglängderna för två OIII-utsläppslinjer för 300 enskilda galaxer på olika avstånd eller rödförskjutningar, från en rödförskjutning på cirka 0,4 (ungefär 4 miljarder år sedan) till 0,8 (cirka 7 miljarder år sedan). Den uppmätta finkonstruktionskonstanten var inte annorlunda än dagens värde, vilket är ungefär 1/137. Det fanns heller ingen uppåt- eller nedåtgående trend i värdet på alfa under denna tidsperiod på 4 miljarder år.
"Vårt nullresultat är inte den mest exakta mätningen, men en annan metod (tittar på absorptionslinjer) som ger mer exakta resultat innebär systematiska fel som gör att olika människor använder metoden att komma med olika resultat," sade Newman.
Newman meddelade också vid APS-mötet den offentliga släppningen av den första säsongen med data (2002) från DEEP2-undersökningen, som representerar 10 procent av de 50 000 avlägsna galaxerna som teamet hoppas kunna undersöka. DEEP2 använder DEIMOS-spektrografen på Keck II-teleskopet på Hawaii för att registrera rödförskjutning, ljusstyrka och färgspektrum för dessa avlägsna galaxer, främst för att jämföra galaxklyngning jämfört med nu. Undersökningen, nu mer än 80 procent färdig, borde avsluta observationerna i sommar, med fullständig datarelease 2007.
"Detta är verkligen en unik datamängd för att begränsa både hur galaxer har utvecklats och hur universum har utvecklats över tid," sade Newman. ”Sloan Digital Sky Survey gör mätningar på ungefär röd skift 0,2 och ser tillbaka de senaste 2-3 miljarder åren. Vi börjar verkligen med rödförskjutning 0,7 och toppade med 0,8 eller 0,9, vilket motsvarar 7-8 miljarder år sedan, en tid då universum var hälften så gammalt som det är idag. ”
Undersökningen har också slutfört mätningar som kan belysa naturen av mörk energi - en mystisk energi som genomsyrar universum och verkar orsaka universums expansion att accelerera. Teamet modellerar nu olika teorier om mörk energi för att jämföra teoretiska förutsägelser med de nya DEEP2-mätningarna.
Som Davis förklarade bestämmer mängden mörk energi, som nu uppskattas till 70 procent av all energi i universum, utvecklingen av galaxer och galaxkluster. Genom att räkna antalet små grupper och massiva galaxkluster i en avlägsen rymdvolym som en funktion av deras rödförskjutning och massa, är det möjligt att mäta mängden som universum har expanderat till i dag, vilket beror på naturen av mörk energi.
"I grund och botten räknar du klusterna och frågar:" Finns det mycket eller några? ", Sade Davis. "Det är allt det motsvarar. Om det finns väldigt få kluster, betyder det att universum expanderade ganska många sätt. Och om det finns många kluster expanderade universumet inte lika mycket. "
Davis jämför för närvarande DEEP2-mätningar med förutsägelser om den enklaste mörka energiteorin, men hoppas kunna samarbeta med andra teoretiker för att testa mer exotiska teorier om mörk energi.
"Vad de verkligen försöker få till är hur den mörka energitätheten förändras när universum expanderar," sa UC Berkeley teoretiska fysiker Martin White, professor i astronomi och fysik som har arbetat med Davis. ”Om den mörka energitätheten är Einsteins kosmologiska konstant, är den teoretiska förutsägelsen att den inte förändras. Den heliga gral nu är att få bevis på att det inte är den kosmologiska konstanten, att den faktiskt förändras. "
Ursprungskälla: UC Berkeley
