Credito d'immagine: ESO
Rilevare o limitare le possibili variazioni temporali delle costanti fisiche fondamentali è un passo importante verso una completa comprensione della fisica di base e quindi del mondo in cui viviamo. Un passo in cui l'astrofisica si rivela molto utile.
Le precedenti misurazioni astronomiche della costante di struttura fine - il numero senza dimensioni che determina la forza delle interazioni tra particelle cariche e campi elettromagnetici - suggerivano che questa costante costante aumentasse leggermente nel tempo. Se confermato, ciò avrebbe implicazioni molto profonde per la nostra comprensione della fisica fondamentale.
Nuovi studi, condotti utilizzando lo spettrografo UVES su Kueyen, uno dei telescopi da 8,2 m dell'array Very Large Telescope dell'ESO a Paranal (Cile), hanno garantito nuovi dati con una qualità senza precedenti. Questi dati, combinati con un'attenta analisi, hanno fornito fino ad oggi i più forti vincoli astronomici sulla possibile variazione della costante di struttura fine. Mostrano che, contrariamente alle precedenti affermazioni, non esistono prove per ipotizzare una variazione temporale di questa costante fondamentale.
Una costante eccellente
Per spiegare l'Universo e rappresentarlo matematicamente, gli scienziati fanno affidamento sulle cosiddette costanti fondamentali o numeri fissi. Le leggi fondamentali della fisica, come le comprendiamo attualmente, dipendono da circa 25 costanti di questo tipo. Esempi ben noti sono la costante gravitazionale, che definisce la forza della forza che agisce tra due corpi, come la Terra e la Luna, e la velocità della luce.
Una di queste costanti è la cosiddetta "costante di struttura fine", alfa = 1 / 137.03599958, una combinazione di carica elettrica dell'elettrone, costante di Planck e velocità della luce. La costante di struttura fine descrive come le forze elettromagnetiche tengono insieme gli atomi e il modo in cui la luce interagisce con gli atomi.
Ma queste costanti fisiche fondamentali sono davvero costanti? Quei numeri sono sempre gli stessi, ovunque nell'Universo e in ogni momento? Questa non è una domanda così ingenua come può sembrare. Le teorie contemporanee delle interazioni fondamentali, come la Teoria della Grande Unificazione o le teorie delle super stringhe che trattano la gravità e la meccanica quantistica in modo coerente, non solo prevedono una dipendenza delle costanti fisiche fondamentali con l'energia - gli esperimenti di fisica delle particelle hanno mostrato che la struttura fine costante a crescono fino a un valore di circa 1/128 ad alte energie di collisione, ma consentono il loro tempo cosmologico e le variazioni dello spazio. Una dipendenza temporale delle costanti fondamentali potrebbe anche sorgere facilmente se, oltre alle tre dimensioni dello spazio, esistono più dimensioni nascoste.
Già nel 1955, il fisico russo Lev Landau considerava la possibilità di una dipendenza temporale dell'alfa. Alla fine degli anni '60, George Gamow negli Stati Uniti suggerì che la carica dell'elettrone, e quindi anche dell'alfa, potrebbe variare. È chiaro tuttavia che tali cambiamenti, se presenti, non possono essere di grandi dimensioni o sarebbero già stati rilevati in esperimenti relativamente semplici. Il monitoraggio di questi possibili cambiamenti richiede quindi le tecniche più sofisticate e precise.
Guardando indietro nel tempo
In effetti, sono già noti vincoli abbastanza forti per la possibile variazione della costante alfa della struttura fine. Uno di questi vincoli è di natura geologica. Si basa sulle misure adottate nell'antico reattore a fissione naturale situato vicino a Oklo (Gabon, Africa occidentale) e che era attivo circa 2.000 milioni di anni fa. Studiando la distribuzione di un determinato insieme di elementi - isotopi delle terre rare, ad esempio di samario - che sono stati prodotti dalla fissione dell'uranio, si può stimare se il processo fisico si è verificato a un ritmo più veloce o più lento di quanto ci aspetteremmo al giorno d'oggi. In questo modo possiamo misurare un possibile cambiamento del valore della costante fondamentale in gioco qui, alfa. Tuttavia, la distribuzione osservata degli elementi è coerente con i calcoli ipotizzando che il valore dell'alfa in quel momento fosse esattamente lo stesso del valore odierno. Nel corso dei 2 miliardi di anni, il cambio di alfa deve quindi essere inferiore a circa 2 parti per 100 milioni. Se presente, questo è davvero un piccolo cambiamento.
Ma che dire dei cambiamenti molto prima nella storia dell'Universo?
Per misurare ciò dobbiamo trovare i mezzi per sondare ulteriormente il passato. Ed è qui che l'astronomia può aiutare. Perché, anche se generalmente gli astronomi non possono fare esperimenti, l'Universo stesso è un enorme laboratorio di fisica atomica. Studiando oggetti molto remoti, gli astronomi possono guardare indietro nel tempo. In questo modo diventa possibile testare i valori delle costanti fisiche quando l'Universo aveva solo il 25% della sua era attuale, cioè circa 10.000 milioni di anni fa.
Segnali molto lontani
Per fare ciò, gli astronomi si affidano alla spettroscopia, la misurazione delle proprietà della luce emessa o assorbita dalla materia. Quando la luce di una fiamma viene osservata attraverso un prisma, è visibile un arcobaleno. Quando si cosparge di sale sulla fiamma, linee gialle distinte si sovrappongono ai soliti colori dell'arcobaleno, le cosiddette linee di emissione. Mettendo una cella a gas tra la fiamma e il prisma, si vedono comunque linee scure sull'arcobaleno: queste sono linee di assorbimento. La lunghezza d'onda di queste linee di spettri di emissione e assorbimento è direttamente correlata ai livelli di energia degli atomi nel sale o nel gas. La spettroscopia ci consente quindi di studiare la struttura atomica.
La struttura fine degli atomi può essere osservata spettroscopicamente come la scissione di determinati livelli di energia in quegli atomi. Quindi, se l'alfa dovesse cambiare nel tempo, anche gli spettri di emissione e assorbimento di questi atomi cambierebbero. Un modo per cercare eventuali cambiamenti nel valore dell'alfa nella storia dell'Universo è quindi quello di misurare gli spettri di quasar distanti e confrontare le lunghezze d'onda di alcune linee spettrali con i valori attuali.
I quasar sono qui usati solo come un faro - la fiamma - nell'Universo molto lontano. Le nuvole interstellari di gas nelle galassie, situate tra noi e i quasar sulla stessa linea di vista e a distanze che variano da sei a undicimila milioni di milioni di anni luce, assorbono parti della luce emessa dai quasar. Lo spettro risultante presenta di conseguenza "valli" scure che possono essere attribuite a elementi noti.
Se la costante di struttura fine dovesse cambiare durante la durata del viaggio della luce, i livelli di energia negli atomi sarebbero influenzati e le lunghezze d'onda delle linee di assorbimento sarebbero spostate di diverse quantità. Confrontando gli spazi relativi tra le valli con i valori di laboratorio, è possibile calcolare l'alfa in funzione della distanza da noi, cioè in funzione dell'età dell'Universo.
Queste misure sono tuttavia estremamente delicate e richiedono un'ottima modellizzazione delle linee di assorbimento. Hanno anche imposto requisiti estremamente forti sulla qualità degli spettri astronomici. Devono avere una risoluzione sufficiente per consentire una misurazione molto precisa dei minuscoli spostamenti negli spettri. E un numero sufficiente di fotoni deve essere catturato per fornire un risultato statisticamente inequivocabile.
Per questo, gli astronomi devono rivolgersi agli strumenti spettrali più avanzati sui più grandi telescopi. È qui che lo Spettrografo Echelle Ultravioletto e Visibile (UVES) e il telescopio Kueyen 8,2 m dell'ESO presso l'Osservatorio del Paranal sono imbattibili, grazie alla qualità spettrale senza eguali e all'ampia area dello specchio di raccolta di questa combinazione.
Costante o no?
Un team di astronomi [1], guidato da Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris e Observatoire de Paris, Francia) e Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, India) ha studiato molto attentamente un campione omogeneo di 50 sistemi di assorbimento osservati con UVES e Kueyen lungo 18 distanti quasar linee di vista. Hanno registrato gli spettri dei quasar per un totale di 34 notti per ottenere la massima risoluzione spettrale possibile e il miglior rapporto segnale-rumore. Sono state applicate sofisticate procedure automatiche appositamente progettate per questo programma.
Inoltre, gli astronomi hanno utilizzato ampie simulazioni per dimostrare che possono modellare correttamente i profili di linea per recuperare una possibile variazione di alfa.
Il risultato di questo ampio studio è che negli ultimi 10.000 milioni di anni, la variazione relativa dell'alfa deve essere inferiore a 0,6 parti per milione. Questo è il limite più forte dagli studi sulle linee di assorbimento quasar fino ad oggi. Ancora più importante, questo nuovo risultato non supporta le precedenti affermazioni di un cambiamento statisticamente significativo di alfa nel tempo.
È interessante notare che questo risultato è supportato da un'altra analisi, meno approfondita, condotta anche con lo spettrometro UVES sul VLT [2]. Anche se tali osservazioni riguardavano solo uno dei quasar più brillanti conosciuti HE 0515-4414, questo studio indipendente fornisce un ulteriore supporto all'ipotesi di non variazione dell'alfa.
Anche se questi nuovi risultati rappresentano un miglioramento significativo nella nostra conoscenza della possibile (non) variazione di una delle costanti fisiche fondamentali, l'attuale set di dati consentirebbe in linea di principio variazioni relativamente grandi rispetto a quelle risultanti dalle misurazioni dal reattore naturale di Oklo. Tuttavia, sono previsti ulteriori progressi in questo campo con il nuovo spettrometro HARPS ad altissima precisione ad altissima precisione sul telescopio ESO da 3,6 m presso l'Osservatorio di La Silla (Cile). Questo spettrografo funziona al limite della tecnologia moderna e viene principalmente utilizzato per rilevare nuovi pianeti attorno a stelle diverse dal Sole - può fornire un ordine di miglioramento della grandezza sulla determinazione della variazione di alfa.
Altre costanti fondamentali possono essere sondate usando i quasar. In particolare, studiando le lunghezze d'onda dell'idrogeno molecolare nell'Universo remoto, si possono sondare le variazioni del rapporto tra le masse del protone e dell'elettrone. La stessa squadra è ora impegnata in un sondaggio così ampio con il Very Large Telescope che dovrebbe portare a vincoli senza precedenti su questo rapporto.
Fonte originale: Comunicato stampa ESO
