Cel mai precis test astronomic al electromagnetismului pentru a descifra unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii

Există o problemă ciudată și supărătoare privind înțelegerea legilor naturii pe care fizicienii au încercat să o explice de zeci de ani. Este vorba despre electromagnetism, legea modului în care atomii și lumina interacționează.

Electromagnetismul explică motivul pentru care nu cădem prin podea, dar şi de ce cerul este albastru.

Teoria noastră a electromagnetismului este, fără îndoială, cea mai bună teorie fizică pe care oamenii au făcut-o vreodată, dar aceasta nu oferă niciun răspuns la întrebarea de ce electromagnetismul este atât de puternic.

Doar experimentele relevă puterea electromagnetismului, care este măsurată printr-un număr numit α (adică alfa sau constanta structurii fine).

Fizicianul american Richard Feynman, care a contribuit la elaborarea teoriei, a numit acest număr „unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii” și i-a îndemnat pe fizicieni „să-şi pună acest număr pe perete și să se gândească la el”.

În cercetarea noastră, care tocmai a fost publicată în Science, am decis să testăm dacă α este același în diferite locuri din galaxia noastră, studiind stele care sunt aproape identice cu Soarele.

Dacă α este diferit în diferite locuri din Univers, atunci acest lucru ne-ar putea ajuta să găsim teoria supremă nu doar a electromagnetismului, ci a tuturor legilor naturii într-o aşa-numita „teorie a totului”.

În căutarea limitelor teoriei noastre preferate

Fizicienii își doresc cu adevărat să găsească indicii pentru o nouă fizică. Un semnal care nu poate fi explicat prin teoriile actuale sau un indicator pentru o teorie a tuturor lucrurilor.

Pentru aceasta fizicienii aşteaptă adânc în subteran, într-o mină de aur, ca particulele de materie întunecată să se ciocnească de un cristal special, supraveghează cu atenție cele mai precise ceasuri atomice din lume, ani de zile, pentru a vedea dacă indică ore puţin diferite sau sfărâmă protonii în coliziuni la (aproape) viteza luminii în inelul de 27 km al acceleratorului de particule Large Hadron Collider.

Problema este că este greu să știi unde să cauți. Teoriile noastre actuale nu ne pot ghida.

Desigur, ne uităm în laboratoarele de pe Pământ, deoarece aici este cel mai ușor să cauți amănunțit și mai precis. Dar este un pic ca bețivul care își caută cheile pierdute doar sub un stâlp de felinar, când, de fapt, le-a pierdut pe cealaltă parte a drumului, undeva într-un colț întunecat.

„Curcubeul” sau spectrul Soarelui: lumina soarelui dezvăluie numeroasele linii întunecate de absorbție de la atomii din atmosfera Soarelui. Credit: NA Sharp/KPNO/NOIRLab/NSO/NSF/AURA, CC BY

Stelele sunt groaznice, dar uneori teribil de asemănătoare

Am decis să privim dincolo de Pământ, dincolo de Sistemul Solar, pentru a vedea dacă stelele care sunt aproape identice cu Soarele produc același curcubeu de culori în spectrele lor. Atomii din atmosfera stelelor absorb o parte din radiaţia electromagnetică emisă spre exterior din cuptoarele nucleare aflate în miezurile acestor stele.

Doar anumite culori sunt absorbite, lăsând linii întunecate în curcubeu. Aceste culori absorbite sunt determinate de α, astfel încât prin măsurarea foarte atentă a liniilor întunecate putem măsura α.

Gazul mai fierbinte și mai rece din atmosferele turbulente ale stelelor face dificilă compararea liniilor de absorbție din stele cu cele observate în experimentele de laborator. Credit: NSO/AURA/NSF, CC BY

Problema este că atmosferele stelelor sunt turbulente și acest lucru modifică liniile spectrale. Aceste modificări strică orice comparație cu aceleași linii din laboratoarele de pe Pământ și, prin urmare, anulează orice șansă de a măsura α. Stelele, se pare, sunt locuri groaznice pentru a testa electromagnetismul.

Un nou test cu gemeni solari

Echipa noastră de studenți, formată din cercetători postdoctorali și seniori de la Universitatea de Tehnologie Swinburne și de la Universitatea din New South Wales, a măsurat distanța dintre perechile de linii de absorbție de la Soarele nostru și 16 „gemeni solari”, adică stele aproape imposibil de distins de Soarele nostru.

Spectrele acestor stele au fost observate cu ajutorul telescopului European Southern Observatory (ESO) de 3,6 metri din Chile. Deși acesta nu este cel mai mare telescop din lume, lumina pe care o colectează este analizată în, probabil, cel mai performant spectrograf: HARPS. Aceasta separă lumina în culorile sale, dezvăluind modelul detaliat al liniilor întunecate.

Cu ajutorul HARPS se observă stelele asemănătoare Soarelui în căutarea exoplanetelor.

Oglinda primară a telescopului ESO din Chile are un diametru de 3,6 metri. Telescopul observă stele asemănătoare Soarelui pentru a căuta planete folosind spectrograful său extrem de precis, HARPS. Credit: Iztok Bončina/ESO, CC BY

Din aceste spectre rafinate, am arătat că α a fost același în cazul celor 17 gemeni solari cu o precizie uluitoare: doar 50 de părți per miliard. Este ca și cum ai compara înălțimea ta cu circumferința Pământului. Este cel mai precis test astronomic pentru α efectuat vreodată.

Din păcate, noile noastre măsurători nu se abat de la teoria noastră preferată a electromagnetismului. Trebuie să reţinem că stelele pe care le-am studiat sunt toate relativ aproape, la doar 160 de ani-lumină distanță.

Ce urmează?

Recent am identificat noi gemeni solari mult mai departe, cam la jumătatea drumului spre centrul galaxiei noastre Calea Lactee.

În această regiune ar trebui să existe o concentrație mult mai mare de materie întunecată, o substanță misterioasă despre care astronomii cred că se ascunde în întreaga galaxie și dincolo de aceasta.

La fel ca și α, știm foarte puține lucruri despre materia întunecată, iar unii fizicieni teoreticieni sugerează că părțile interioare ale galaxiei noastre ar putea fi colțul întunecat în care ar trebui să căutăm conexiuni între aceste două mistere ale fizicii.

Dacă putem observa acești sori mult mai îndepărtați cu cele mai mari telescoape optice, atunci poate că vom găsi cheile universului.

Traducere după ‘One of the greatest damn mysteries of physics’: we studied distant suns în the most precise astronomical test of electromagnetism yet