Crédito de imagen: ESO
Detectar o restringir las posibles variaciones de tiempo de las constantes físicas fundamentales es un paso importante hacia una comprensión completa de la física básica y, por lo tanto, del mundo en el que vivimos. Un paso en el que la astrofísica resulta más útil.
Mediciones astronómicas anteriores de la constante de estructura fina, el número adimensional que determina la intensidad de las interacciones entre las partículas cargadas y los campos electromagnéticos, sugirieron que esta constante en particular aumenta muy ligeramente con el tiempo. Si se confirma, esto tendría implicaciones muy profundas para nuestra comprensión de la física fundamental.
Nuevos estudios, realizados con el espectrógrafo UVES en Kueyen, uno de los telescopios de 8,2 m del conjunto de telescopios muy grandes de ESO en Paranal (Chile), aseguraron nuevos datos con una calidad sin precedentes. Estos datos, combinados con un análisis muy cuidadoso, han proporcionado las restricciones astronómicas más fuertes hasta la fecha sobre la posible variación de la constante de estructura fina. Muestran que, contrariamente a las afirmaciones anteriores, no existe evidencia para suponer una variación en el tiempo de esta constante fundamental.
Una buena constante
Para explicar el Universo y representarlo matemáticamente, los científicos confían en las llamadas constantes fundamentales o números fijos. Las leyes fundamentales de la física, tal como las entendemos actualmente, dependen de unas 25 constantes. Ejemplos bien conocidos son la constante gravitacional, que define la fuerza de la fuerza que actúa entre dos cuerpos, como la Tierra y la Luna, y la velocidad de la luz.
Una de estas constantes es la llamada "constante de estructura fina", alfa = 1 / 137.03599958, una combinación de carga eléctrica del electrón, la constante de Planck y la velocidad de la luz. La constante de estructura fina describe cómo las fuerzas electromagnéticas mantienen unidos a los átomos y la forma en que la luz interactúa con los átomos.
¿Pero son estas constantes físicas fundamentales realmente constantes? ¿Son esos números siempre iguales, en todas partes del Universo y en todo momento? Esta no es una pregunta tan ingenua como parece. Las teorías contemporáneas de interacciones fundamentales, como la teoría de la gran unificación o las teorías de supercuerdas que tratan la gravedad y la mecánica cuántica de manera consistente, no solo predicen la dependencia de las constantes físicas fundamentales con la energía: los experimentos de física de partículas han demostrado que la estructura fina es constante crecer a un valor de aproximadamente 1/128 a altas energías de colisión, pero tener en cuenta sus variaciones cosmológicas de tiempo y espacio. También podría surgir fácilmente una dependencia temporal de las constantes fundamentales si, además de las tres dimensiones espaciales, existen más dimensiones ocultas.
Ya en 1955, el físico ruso Lev Landau consideró la posibilidad de una dependencia temporal del alfa. A fines de la década de 1960, George Gamow en los Estados Unidos sugirió que la carga del electrón, y por lo tanto también alfa, puede variar. Sin embargo, está claro que tales cambios, si los hay, no pueden ser grandes o ya se habrían detectado en experimentos comparativamente simples. El seguimiento de estos posibles cambios requiere las técnicas más sofisticadas y precisas.
Mirando hacia atrás en el tiempo
De hecho, ya se sabe que existen restricciones bastante fuertes para la posible variación de la estructura fina constante alfa. Una de esas limitaciones es de naturaleza geológica. Se basa en las medidas tomadas en el antiguo reactor de fisión natural ubicado cerca de Oklo (Gabón, África occidental) y que estuvo activo hace aproximadamente 2.000 millones de años. Al estudiar la distribución de un conjunto dado de elementos (isótopos de las tierras raras, por ejemplo del samario) que fueron producidos por la fisión del uranio, se puede estimar si el proceso físico ocurrió a un ritmo más rápido o más lento de lo que cabría esperar. hoy en día. Por lo tanto, podemos medir un posible cambio del valor de la constante fundamental en juego aquí, alfa. Sin embargo, la distribución observada de los elementos es consistente con los cálculos asumiendo que el valor de alfa en ese momento era exactamente el mismo que el valor actual. Por lo tanto, durante los 2 mil millones de años, el cambio de alfa debe ser menor que aproximadamente 2 partes por cada 100 millones. Si está presente, este es un cambio bastante pequeño.
Pero, ¿qué pasa con los cambios mucho antes en la historia del Universo?
Para medir esto, debemos encontrar medios para explorar aún más el pasado. Y aquí es donde la astronomía puede ayudar. Porque, aunque los astrónomos generalmente no pueden hacer experimentos, el Universo en sí es un gran laboratorio de física atómica. Al estudiar objetos muy remotos, los astrónomos pueden mirar hacia atrás durante un largo período de tiempo. De esta manera, es posible probar los valores de las constantes físicas cuando el Universo tenía solo el 25% de su edad actual, es decir, hace unos 10.000 millones de años.
Faros muy lejanos
Para hacerlo, los astrónomos confían en la espectroscopía: la medición de las propiedades de la luz emitida o absorbida por la materia. Cuando la luz de una llama se observa a través de un prisma, se ve un arco iris. Cuando se rocía sal sobre la llama, se superponen distintas líneas amarillas sobre los colores habituales del arco iris, las llamadas líneas de emisión. Al colocar una celda de gas entre la llama y el prisma, se ven líneas oscuras en el arcoíris: son líneas de absorción. La longitud de onda de estas líneas de espectros de emisión y absorción está directamente relacionada con los niveles de energía de los átomos en la sal o en el gas. La espectroscopía nos permite estudiar la estructura atómica.
La estructura fina de los átomos se puede observar espectroscópicamente como la división de ciertos niveles de energía en esos átomos. Entonces, si el alfa cambiara con el tiempo, los espectros de emisión y absorción de estos átomos también cambiarían. Por lo tanto, una forma de buscar cualquier cambio en el valor de alfa a lo largo de la historia del Universo es medir el espectro de los quásares distantes y comparar las longitudes de onda de ciertas líneas espectrales con los valores actuales.
Los cuásares aquí solo se usan como faro, la llama, en el Universo muy distante. Las nubes de gas interestelares en las galaxias, ubicadas entre los quásares y nosotros en la misma línea de visión y a distancias que varían de seis a once mil millones de años luz, absorben partes de la luz emitida por los quásares. El espectro resultante presenta en consecuencia "valles" oscuros que pueden atribuirse a elementos bien conocidos.
Si la constante de estructura fina cambia durante la duración del viaje de la luz, los niveles de energía en los átomos se verían afectados y las longitudes de onda de las líneas de absorción se cambiarían en diferentes cantidades. Al comparar las brechas relativas entre los valles con los valores de laboratorio, es posible calcular alfa en función de la distancia a nosotros, es decir, en función de la edad del Universo.
Sin embargo, estas medidas son extremadamente delicadas y requieren un muy buen modelado de las líneas de absorción. También imponen requisitos extremadamente fuertes sobre la calidad de los espectros astronómicos. Deben tener suficiente resolución para permitir una medición muy precisa de los cambios minúsculos en los espectros. Y se debe capturar un número suficiente de fotones para proporcionar un resultado estadísticamente inequívoco.
Para esto, los astrónomos tienen que recurrir a los instrumentos espectrales más avanzados en los telescopios más grandes. Aquí es donde el Espectrógrafo de Echelle Ultravioleta y Visible (UVES) y el telescopio Kueyen de 8.2 metros de ESO en el Observatorio Paranal son inmejorables, gracias a la calidad espectral inigualable y al gran área del espejo colector de esta combinación.
¿Constante o no?
Un equipo de astrónomos [1], dirigido por Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris y Observatoire de Paris, Francia) y Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, India) estudió muy cuidadosamente una muestra homogénea de 50 sistemas de absorción observados con UVES y Kueyen a lo largo de 18 líneas de visión de cuásares distantes. Grabaron los espectros de los quásares durante un total de 34 noches para lograr la resolución espectral más alta posible y la mejor relación señal / ruido. Se aplicaron sofisticados procedimientos automáticos especialmente diseñados para este programa.
Además, los astrónomos utilizaron simulaciones extensas para mostrar que pueden modelar correctamente los perfiles de línea para recuperar una posible variación de alfa.
El resultado de este extenso estudio es que en los últimos 10,000 millones de años, la variación relativa de alfa debe ser menor a 0.6 partes por millón. Esta es la restricción más fuerte de los estudios de líneas de absorción de cuásar hasta la fecha. Más importante aún, este nuevo resultado no es compatible con afirmaciones anteriores de un cambio estadísticamente significativo de alfa con el tiempo.
Curiosamente, este resultado está respaldado por otro análisis, menos extenso, que también se realizó con el espectrómetro UVES en el VLT [2]. A pesar de que esas observaciones solo se referían a uno de los cuásar más brillantes conocidos HE 0515-4414, este estudio independiente presta más apoyo a la hipótesis de que no hay variación de alfa.
Aunque estos nuevos resultados representan una mejora significativa en nuestro conocimiento de la posible (no) variación de una de las constantes físicas fundamentales, el conjunto actual de datos en principio aún permitiría variaciones que son comparativamente grandes en comparación con las resultantes de las mediciones del reactor natural de Oklo. Sin embargo, se espera un mayor progreso en este campo con el nuevo espectrómetro de velocidad radial de muy alta precisión HARPS en el telescopio de 3,6 m de ESO en el Observatorio La Silla (Chile). Este espectrógrafo funciona al límite de la tecnología moderna y se utiliza principalmente para detectar nuevos planetas alrededor de estrellas que no sean el Sol; puede proporcionar una mejora en el orden de magnitud en la determinación de la variación de alfa.
Se pueden sondear otras constantes fundamentales utilizando quásares. En particular, al estudiar las longitudes de onda del hidrógeno molecular en el Universo remoto, uno puede sondear las variaciones de la relación entre las masas del protón y el electrón. El mismo equipo ahora participa en una encuesta tan grande con el Very Large Telescope que debería conducir a restricciones sin precedentes en esta relación.
Fuente original: Comunicado de prensa de ESO
