Постоянную тонкой структуры проверили на постоянство

Астрофизики установили, что физическая константа 𝛼 за последние 13 миллиардов лет сохраняла свое значение с точностью до пятого знака после запятой. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Постоянная тонкой структуры 𝛼 — это фундаментальная константа, которая характеризует силу электромагнитного взаимодействия. Впервые она потребовалась физикам в начале прошлого века для внесения квантовых поправок в модель атома Бора. С ее помощью исследователи описали расщепление энергетических уровней в атоме, которое порождает набор близко расположенных частот в его спектре. С тех пор ученые предприняли множество попыток вывести значение константы из теоретических соображений, однако ни один из предложенных способов так и не получил признания. В стандартной модели — основной на сегодняшний день теории в физике элементарных частиц — постоянная 𝛼 является внешним параметром, то есть ее значение вводится на основе экспериментальных данных.

Константа имеет колоссальное значение для теоретической физики и космологии, поскольку она определяет характер наиболее общих законов, которые лежат в основе эволюции космоса. В частности, важно знать, сохраняется ли значение постоянной тонкой структуры во времени: от этого зависит поведение электромагнитных сил на ранних этапах существования Вселенной.

Астрофизики из семи стран под руководством Майкла Вильчинского (Michael Wilczynska) из Университета Нового Южного Уэльса решили оценить относительное изменение этой константы во времени. Для этого исследователи использовали данные с VLT (Very Large Telescope) — крупнейшего в мире комплекса оптических телескопов, который расположен в Паранальской горной обсерватории в Чили. Ученые обратились к серии измерений спектра квазара J1120+0641, проведенных в период с марта 2011 года по апрель 2014. Среди известных квазаров данный объект является вторым по удаленности от Земли. Чтобы достичь земных телескопов, свет от этого источника тратит почти 13 миллиардов лет, что позволяет астрофизикам получить информацию о молодой Вселенной.

Авторы выделили в направлении квазара четыре характерные области пространства, средний космологический возраст которых составляет около одного миллиарда лет (для сравнения нынешний возраст Вселенной — приблизительно 13,8 миллиарда). Каждый из регионов обладает своим красным смещением — эта величина характеризует увеличение длины волны света с расстоянием, которое тот прошел. Такой эффект позволяет различать спектральные линии поглощения, которые возникают при взаимодействии света с веществом на разных расстояниях от наблюдателя. Само же это взаимодействие является электромагнитным — значит, первоначальная длина волны определяется значением постоянной тонкой структуры в момент поглощения фотона. На основе этих фактов исследователи статистически описали наблюдаемый спектр, выбрав в качестве свободного параметра относительное отклонение константы 𝛼 от ее современного значения.

В результате ученые оценили наиболее вероятное относительное изменение константы приблизительно в –2×10^–5, что соответствует пятому знаку после запятой. Вместе с тем погрешность определения параметра составила около 7×10^–5 — статистически это позволяет считать его нулевым. Таким образом астрофизики представили очередное подтверждение гипотезы о неизменности постоянной тонкой структуры во времени, проделав это для рекордных временных масштабов. Предыдущие исследования в этой области относились ко времени свыше двух миллиардов лет от Большого взрыва, тогда как авторы нынешней работы использовали для анализа регионы Вселенной возрастом вдвое младше. Кроме того, ученые рассмотрели результаты совместно с другими измерениями константы и установили, что значение 𝛼 с уровнем статистической достоверности 3.9𝜎 зависит от положения объекта в пространстве. Последнее на данный момент не имеет теоретического обоснования, и если результат удастся подтвердить, то это поставит перед наукой значительную проблему.