Kredit gambar: ESO
Mendeteksi atau membatasi variasi waktu yang mungkin dari konstanta fisik dasar adalah langkah penting menuju pemahaman penuh fisika dasar dan karenanya dunia tempat kita hidup. Sebuah langkah di mana astrofisika terbukti paling bermanfaat.
Pengukuran astronomis sebelumnya dari konstanta struktur halus - jumlah tak berdimensi yang menentukan kekuatan interaksi antara partikel bermuatan dan medan elektromagnetik - menunjukkan bahwa konstanta khusus ini meningkat sangat sedikit seiring waktu. Jika dikonfirmasi, ini akan memiliki implikasi yang sangat mendalam bagi pemahaman kita tentang fisika dasar.
Studi-studi baru, dilakukan dengan menggunakan spektograf UVES pada Kueyen, salah satu teleskop 8,2 m dari jajaran Teleskop Sangat Besar ESO di Paranal (Chili), mengamankan data baru dengan kualitas yang belum pernah terjadi sebelumnya. Data ini, dikombinasikan dengan analisis yang sangat hati-hati, telah memberikan batasan astronomi terkuat hingga saat ini pada kemungkinan variasi dari konstanta struktur halus. Mereka menunjukkan bahwa, bertentangan dengan klaim sebelumnya, tidak ada bukti untuk mengasumsikan variasi waktu dari konstanta fundamental ini.
Konstanta yang bagus
Untuk menjelaskan Semesta dan mewakilinya secara matematis, para ilmuwan mengandalkan apa yang disebut konstanta fundamental atau bilangan tetap. Hukum dasar fisika, seperti yang kita pahami sekarang, bergantung pada sekitar 25 konstanta seperti itu. Contoh terkenal adalah konstanta gravitasi, yang mendefinisikan kekuatan gaya yang bekerja di antara dua benda, seperti Bumi dan Bulan, dan kecepatan cahaya.
Salah satu dari konstanta ini adalah apa yang disebut "konstanta struktur halus", alpha = 1 / 137.03599958, kombinasi muatan listrik elektron, konstanta Planck dan kecepatan cahaya. Konstanta struktur halus menggambarkan bagaimana gaya-gaya elektromagnetik menyatukan atom dan cara cahaya berinteraksi dengan atom.
Tetapi apakah konstanta fisik fundamental ini benar-benar konstan? Apakah angka-angka itu selalu sama, di mana-mana di Semesta dan setiap saat? Ini bukan pertanyaan yang naif seperti kelihatannya. Teori kontemporer tentang interaksi fundamental, seperti Grand Unification Theory atau teori super-string yang memperlakukan gravitasi dan mekanika kuantum secara konsisten, tidak hanya memprediksi ketergantungan konstanta fisika fundamental dengan energi - eksperimen fisika partikel telah menunjukkan struktur halus konstan hingga tumbuh ke nilai sekitar 1/128 pada energi tabrakan tinggi - tetapi memungkinkan variasi waktu dan ruang kosmologis mereka. Ketergantungan waktu dari konstanta fundamental juga dapat dengan mudah muncul jika, selain tiga dimensi ruang, ada dimensi yang lebih tersembunyi.
Sudah pada tahun 1955, fisikawan Rusia Lev Landau mempertimbangkan kemungkinan ketergantungan waktu alfa. Pada akhir 1960-an, George Gamow di Amerika Serikat menyarankan bahwa muatan elektron, dan karenanya juga alfa, dapat bervariasi. Namun jelas bahwa perubahan tersebut, jika ada, tidak bisa besar atau sudah terdeteksi dalam eksperimen yang relatif sederhana. Melacak perubahan yang mungkin terjadi karenanya membutuhkan teknik yang paling canggih dan tepat.
Melihat ke masa lalu
Bahkan, kendala yang cukup kuat sudah diketahui ada untuk variasi yang mungkin dari alpha konstanta struktur halus. Salah satu kendala adalah sifat geologis. Ini didasarkan pada langkah-langkah yang diambil dalam reaktor fisi alam kuno yang terletak di dekat Oklo (Gabon, Afrika Barat) dan yang aktif sekitar 2.000 juta tahun yang lalu. Dengan mempelajari distribusi sekumpulan unsur tertentu - isotop dari tanah jarang, misalnya samarium - yang diproduksi oleh fisi uranium, orang dapat memperkirakan apakah proses fisik terjadi pada kecepatan yang lebih cepat atau lebih lambat dari yang kita harapkan. sekarang. Dengan demikian kita dapat mengukur kemungkinan perubahan nilai konstanta fundamental yang dimainkan di sini, alfa. Namun, distribusi elemen yang diamati konsisten dengan perhitungan dengan asumsi bahwa nilai alpha pada waktu itu persis sama dengan nilai saat ini. Lebih dari 2 miliar tahun, perubahan alfa karenanya harus lebih kecil dari sekitar 2 bagian per 100 juta. Jika hadir sama sekali, ini memang perubahan yang agak kecil.
Tetapi bagaimana dengan perubahan jauh sebelumnya dalam sejarah Semesta?
Untuk mengukur ini kita harus menemukan cara untuk menyelidiki lebih jauh ke masa lalu. Dan di sinilah astronomi dapat membantu. Karena, meskipun para astronom umumnya tidak dapat melakukan percobaan, Semesta sendiri adalah laboratorium fisika atom yang sangat besar. Dengan mempelajari objek yang sangat jauh, para astronom dapat melihat ke belakang dalam rentang waktu yang lama. Dengan cara ini menjadi mungkin untuk menguji nilai-nilai konstanta fisik ketika Alam Semesta hanya memiliki 25% dari usia sekarang, yaitu sekitar 10.000 juta tahun yang lalu.
Suar yang sangat jauh
Untuk melakukannya, para astronom mengandalkan spektroskopi - pengukuran sifat cahaya yang dipancarkan atau diserap oleh materi. Ketika cahaya dari nyala diamati melalui prisma, pelangi terlihat. Ketika menaburkan garam di atas nyala api, garis kuning yang berbeda ditumpangkan pada warna pelangi yang biasa, yang disebut garis emisi. Menempatkan sel gas di antara nyala api dan prisma, orang melihat garis-garis gelap pada pelangi: ini adalah garis serapan. Panjang gelombang garis-garis spektrum emisi dan penyerapan ini berhubungan langsung dengan tingkat energi atom dalam garam atau dalam gas. Spektroskopi memungkinkan kita untuk mempelajari struktur atom.
Struktur atom yang halus dapat diamati secara spektroskopi sebagai pemisahan tingkat energi tertentu dalam atom-atom tersebut. Jadi jika alfa berubah seiring waktu, spektrum emisi dan serapan atom-atom ini juga akan berubah. Salah satu cara untuk mencari perubahan apa pun dalam nilai alfa selama sejarah Semesta adalah dengan mengukur spektrum quasar yang jauh, dan membandingkan panjang gelombang garis spektral tertentu dengan nilai saat ini.
Quasar di sini hanya digunakan sebagai suar - nyala - di alam semesta yang sangat jauh. Awan gas antarbintang di galaksi, yang terletak di antara quasar dan kita di garis pandang yang sama dan pada jarak bervariasi dari enam hingga sebelas ribu juta tahun cahaya, menyerap bagian cahaya yang dipancarkan oleh quasar. Spektrum yang dihasilkan akibatnya menyajikan "lembah" gelap yang dapat dikaitkan dengan elemen terkenal.
Jika konstanta struktur halus berubah selama durasi perjalanan cahaya, tingkat energi dalam atom akan terpengaruh dan panjang gelombang dari garis penyerapan akan bergeser dengan jumlah yang berbeda. Dengan membandingkan kesenjangan relatif antara lembah dengan nilai-nilai laboratorium, dimungkinkan untuk menghitung alfa sebagai fungsi jarak dari kita, yaitu, sebagai fungsi dari zaman Alam Semesta.
Namun langkah-langkah ini sangat halus dan membutuhkan pemodelan yang sangat baik dari garis penyerapan. Mereka juga menempatkan persyaratan yang sangat kuat pada kualitas spektra astronomi. Mereka harus memiliki resolusi yang cukup untuk memungkinkan pengukuran yang sangat tepat dari pergeseran sangat kecil dalam spektrum. Dan sejumlah foton yang cukup harus ditangkap untuk memberikan hasil yang jelas secara statistik.
Untuk ini, para astronom harus beralih ke instrumen spektral tercanggih pada teleskop terbesar. Di sinilah Spectrograph Echelle Ultra-violet dan Visible (UVES) dan telesy Kueyen 8.2-m ESO di Observatorium Paranal tidak ada duanya, berkat kualitas spektral yang tak tertandingi dan area cermin pengumpul besar dari kombinasi ini.
Konstan atau tidak?
Sebuah tim astronom [1], dipimpin oleh Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris dan Observatoire de Paris, Prancis) dan Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, India) dengan cermat mempelajari sampel homogen dari 50 sistem penyerapan yang diamati dengan UVES dan Kueyen sepanjang 18 garis quasar yang jauh dari pandangan. Mereka merekam spektrum quasar selama total 34 malam untuk mencapai resolusi spektral setinggi mungkin dan rasio signal-to-noise terbaik. Prosedur otomatis canggih yang dirancang khusus untuk program ini diterapkan.
Selain itu, para astronom menggunakan simulasi ekstensif untuk menunjukkan bahwa mereka dapat memodelkan profil garis dengan benar untuk memulihkan kemungkinan variasi alfa.
Hasil penelitian yang luas ini adalah bahwa selama 10.000 juta tahun terakhir, variasi relatif alfa harus kurang dari 0,6 bagian per juta. Ini adalah kendala terkuat dari studi jalur penyerapan quasar hingga saat ini. Lebih penting lagi, hasil baru ini tidak mendukung klaim sebelumnya dari perubahan alpha signifikan secara statistik dengan waktu.
Menariknya, hasil ini didukung oleh analisis lain - kurang luas -, juga dilakukan dengan spektrometer UVES pada VLT [2]. Meskipun pengamatan tersebut hanya berkaitan dengan salah satu quasar HE 0515-4414 yang paling terang diketahui, penelitian independen ini memberikan dukungan lebih lanjut untuk hipotesis tidak ada variasi alpha.
Meskipun hasil baru ini merupakan peningkatan yang signifikan dalam pengetahuan kita tentang kemungkinan (non-) variasi dari salah satu konstanta fisik dasar, set data saat ini pada prinsipnya akan tetap memungkinkan variasi yang relatif besar dibandingkan dengan yang dihasilkan dari pengukuran dari reaktor alami Oklo. Namun demikian, kemajuan lebih lanjut dalam bidang ini diharapkan dengan spektrometer kecepatan radial yang sangat tinggi-akurasi HARPS pada teleskop 3,6 m ESO di La Silla Observatory (Chile). Spektrograf ini bekerja pada batas teknologi modern dan sebagian besar digunakan untuk mendeteksi planet-planet baru di sekitar bintang selain Matahari - mungkin memberikan urutan peningkatan besar pada penentuan variasi alfa.
Konstanta fundamental lainnya dapat diperiksa menggunakan quasar. Secara khusus, dengan mempelajari panjang gelombang hidrogen molekuler di alam semesta yang jauh, seseorang dapat menyelidiki variasi rasio antara massa proton dan elektron. Tim yang sama sekarang terlibat dalam survei besar dengan Very Large Telescope yang seharusnya mengarah pada kendala yang belum pernah terjadi sebelumnya pada rasio ini.
Sumber Asli: Siaran Berita ESO
