Crédito de imagem: ESO
Detectar ou restringir as possíveis variações de tempo das constantes físicas fundamentais é um passo importante para um entendimento completo da física básica e, portanto, do mundo em que vivemos. Um passo no qual a astrofísica se mostra mais útil.
As medições astronômicas anteriores da constante da estrutura fina - o número adimensional que determina a força das interações entre partículas carregadas e campos eletromagnéticos - sugeriram que essa constante específica está aumentando muito ligeiramente com o tempo. Se confirmado, isso teria implicações muito profundas para a nossa compreensão da física fundamental.
Novos estudos, conduzidos usando o espectrógrafo UVES em Kueyen, um dos telescópios de 8,2 m do Very Large Telescope do ESO em Paranal (Chile), garantiram novos dados com qualidade sem precedentes. Esses dados, combinados com uma análise muito cuidadosa, forneceram as mais fortes restrições astronômicas até o momento sobre a possível variação da constante da estrutura fina. Eles mostram que, contrariamente às alegações anteriores, não existem evidências para assumir uma variação temporal dessa constante fundamental.
Uma constante fina
Para explicar o universo e representá-lo matematicamente, os cientistas contam com as chamadas constantes fundamentais ou números fixos. As leis fundamentais da física, como as entendemos atualmente, dependem de cerca de 25 dessas constantes. Exemplos bem conhecidos são a constante gravitacional, que define a força da força que age entre dois corpos, como a Terra e a Lua, e a velocidade da luz.
Uma dessas constantes é a chamada “constante de estrutura fina”, alfa = 1 / 137.03599958, uma combinação de carga elétrica do elétron, a constante de Planck e a velocidade da luz. A constante de estrutura fina descreve como as forças eletromagnéticas mantêm os átomos juntos e a maneira como a luz interage com os átomos.
Mas essas constantes físicas fundamentais são realmente constantes? Esses números são sempre os mesmos, em todos os lugares do Universo e em todos os momentos? Esta não é uma pergunta tão ingênua quanto possa parecer. As teorias contemporâneas de interações fundamentais, como a Teoria da Grande Unificação ou as super-cordas, que tratam a mecânica quântica e gravitacional de maneira consistente, não apenas predizem uma dependência de constantes físicas fundamentais com a energia - experimentos de física de partículas mostraram a estrutura fina constante para crescem para um valor de cerca de 1/128 com altas energias de colisão - mas permitem variações cosmológicas de tempo e espaço. Uma dependência temporal das constantes fundamentais também poderia surgir facilmente se, além das três dimensões espaciais, existirem mais dimensões ocultas.
Já em 1955, o físico russo Lev Landau considerou a possibilidade de uma dependência temporal do alfa. No final da década de 1960, George Gamow, nos Estados Unidos, sugeriu que a carga do elétron e, portanto, também alfa, pode variar. É claro, no entanto, que tais alterações, se houver, não podem ser grandes ou já teriam sido detectadas em experimentos comparativamente simples. O rastreamento dessas possíveis alterações requer, portanto, as técnicas mais sofisticadas e precisas.
Olhando para trás no tempo
De fato, já se sabe que existem restrições bastante fortes para a possível variação da constante alfa da estrutura fina. Uma dessas restrições é de natureza geológica. Baseia-se em medidas tomadas no antigo reator de fissão natural localizado perto de Oklo (Gabão, África Ocidental) e que estava ativo há cerca de 2.000 milhões de anos atrás. Ao estudar a distribuição de um determinado conjunto de elementos - isótopos de terras raras, por exemplo, samário - que foram produzidos pela fissão de urânio, pode-se estimar se o processo físico ocorreu em um ritmo mais rápido ou mais lento do que esperávamos. hoje em dia. Assim, podemos medir uma possível mudança do valor da constante fundamental em jogo aqui, alfa. No entanto, a distribuição observada dos elementos é consistente com os cálculos assumindo que o valor de alfa naquele momento era exatamente o mesmo que o valor atual. Ao longo dos 2 bilhões de anos, a mudança de alfa deve ser menor que cerca de 2 partes por 100 milhões. Se presente, é uma mudança bastante pequena.
Mas e as mudanças muito antes na história do Universo?
Para medir isso, precisamos encontrar meios de investigar ainda mais o passado. E é aqui que a astronomia pode ajudar. Porque, embora os astrônomos geralmente não possam fazer experimentos, o próprio Universo é um enorme laboratório de física atômica. Ao estudar objetos muito remotos, os astrônomos podem olhar para trás por um longo período de tempo. Dessa maneira, torna-se possível testar os valores das constantes físicas quando o Universo tinha apenas 25% da idade atual, isto é, cerca de 10.000 milhões de anos atrás.
Farcons muito distantes
Para fazer isso, os astrônomos confiam na espectroscopia - a medição das propriedades da luz emitida ou absorvida pela matéria. Quando a luz de uma chama é observada através de um prisma, um arco-íris é visível. Ao espalhar sal na chama, linhas amarelas distintas são sobrepostas às cores usuais do arco-íris, as chamadas linhas de emissão. Colocando uma célula de gás entre a chama e o prisma, vemos no entanto linhas escuras no arco-íris: são linhas de absorção. O comprimento de onda dessas linhas de espectro de emissão e absorção está diretamente relacionado aos níveis de energia dos átomos no sal ou no gás. A espectroscopia nos permite estudar a estrutura atômica.
A estrutura fina dos átomos pode ser observada espectroscopicamente como a divisão de certos níveis de energia nesses átomos. Portanto, se o alfa mudasse com o tempo, os espectros de emissão e absorção desses átomos também mudariam. Uma maneira de procurar qualquer alteração no valor de alfa ao longo da história do Universo é, portanto, medir os espectros de quasares distantes e comparar os comprimentos de onda de certas linhas espectrais com os valores atuais.
Os quasares são aqui usados apenas como farol - a chama - no universo muito distante. Nuvens interestelares de gás em galáxias, localizadas entre nós e os quasares na mesma linha de visão e a distâncias que variam de seis a onze mil milhões de milhões de anos-luz, absorvem partes da luz emitida pelos quasares. O espectro resultante apresenta consequentemente "vales" escuros que podem ser atribuídos a elementos conhecidos.
Se a constante de estrutura fina mudar ao longo da jornada da luz, os níveis de energia nos átomos serão afetados e os comprimentos de onda das linhas de absorção serão alterados em diferentes quantidades. Ao comparar as lacunas relativas entre os vales e os valores de laboratório, é possível calcular o alfa em função da distância de nós, ou seja, em função da idade do Universo.
No entanto, essas medidas são extremamente delicadas e requerem uma modelagem muito boa das linhas de absorção. Eles também impõem requisitos extremamente fortes à qualidade dos espectros astronômicos. Eles devem ter resolução suficiente para permitir a medição muito precisa de mudanças minúsculas nos espectros. E um número suficiente de fótons deve ser capturado para fornecer um resultado estatisticamente inequívoco.
Para isso, os astrônomos precisam recorrer aos instrumentos espectrais mais avançados dos maiores telescópios. É neste ponto que o espectrógrafo Ultravioleta e Visível Echelle (UVES) e o telescópio Kueyen de 8,2 m do ESO no Observatório Paranal são imbatíveis, graças à qualidade espectral inigualável e à grande área de espelho coletor dessa combinação.
Constante ou não?
Uma equipe de astrônomos [1], liderada por Patrick Petitjean (Instituto de Astrofísica de Paris e Observatório de Paris, França) e Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, Índia) estudou cuidadosamente uma amostra homogênea de 50 sistemas de absorção observados com UVES e Kueyen. ao longo de 18 linhas de visão de quasares distantes. Eles registraram os espectros dos quasares em um total de 34 noites para alcançar a mais alta resolução espectral possível e a melhor relação sinal / ruído. Foram aplicados procedimentos automáticos sofisticados, especialmente projetados para este programa.
Além disso, os astrônomos usaram simulações extensas para mostrar que podem modelar corretamente os perfis de linha para recuperar uma possível variação de alfa.
O resultado desse extenso estudo é que, nos últimos 10.000 milhões de anos, a variação relativa do alfa deve ser menor que 0,6 parte por milhão. Essa é a maior restrição dos estudos das linhas de absorção de quasar até hoje. Mais importante, este novo resultado não suporta reivindicações anteriores de uma mudança estatisticamente significativa de alfa com o tempo.
Curiosamente, esse resultado é suportado por outra análise - menos extensa -, também realizada com o espectrômetro UVES no VLT [2]. Embora essas observações estivessem preocupadas apenas com um dos mais brilhantes quasares conhecidos HE 0515-4414, este estudo independente dá mais suporte à hipótese de não haver variação de alfa.
Embora esses novos resultados representem uma melhora significativa em nosso conhecimento da possível (não) variação de uma das constantes físicas fundamentais, o conjunto atual de dados ainda permitiria, em princípio, variações comparativamente grandes em comparação com as resultantes das medições do reator natural de Oklo. No entanto, é esperado um progresso adicional neste campo com o novo espectrômetro de velocidade radial de precisão muito alta HARPS no telescópio de 3,6 m do ESO no Observatório La Silla (Chile). Este espectrógrafo funciona no limite da tecnologia moderna e é usado principalmente para detectar novos planetas em torno de estrelas que não sejam o Sol - pode fornecer uma melhoria de ordem de magnitude na determinação da variação de alfa.
Outras constantes fundamentais podem ser sondadas usando quasares. Em particular, estudando os comprimentos de onda do hidrogênio molecular no universo remoto, pode-se sondar as variações da razão entre as massas do próton e do elétron. A mesma equipe agora está envolvida em uma pesquisa tão grande com o Very Large Telescope, que deve levar a restrições sem precedentes nessa proporção.
Fonte original: Comunicado de imprensa do ESO
