Tín dụng hình ảnh: ESO
Phát hiện hoặc hạn chế các biến thể thời gian có thể có của các hằng số vật lý cơ bản là một bước quan trọng hướng tới sự hiểu biết hoàn toàn về vật lý cơ bản và do đó là thế giới chúng ta đang sống. Một bước trong đó vật lý thiên văn chứng minh hữu ích nhất.
Các phép đo thiên văn trước đây về hằng số cấu trúc mịn - số không thứ nguyên xác định cường độ tương tác giữa các hạt tích điện và trường điện từ - cho thấy hằng số đặc biệt này đang tăng rất nhẹ theo thời gian. Nếu được xác nhận, điều này sẽ có ý nghĩa rất sâu sắc đối với sự hiểu biết của chúng ta về vật lý cơ bản.
Các nghiên cứu mới, được thực hiện bằng máy quang phổ UVES trên Kueyen, một trong những kính thiên văn dài 8.2 m của mảng Kính viễn vọng rất lớn ESO ở Paranal (Chile), đã bảo mật dữ liệu mới với chất lượng chưa từng có. Những dữ liệu này, kết hợp với phân tích rất cẩn thận, đã cung cấp các ràng buộc thiên văn mạnh nhất cho đến nay về sự biến đổi có thể có của hằng số cấu trúc mịn. Họ cho thấy rằng, trái với các tuyên bố trước đây, không có bằng chứng nào cho thấy sự thay đổi thời gian của hằng số cơ bản này.
Một hằng số tốt
Để giải thích Vũ trụ và đại diện cho nó về mặt toán học, các nhà khoa học dựa vào cái gọi là hằng số cơ bản hoặc số cố định. Các định luật cơ bản của vật lý, như chúng ta hiện đang hiểu chúng, phụ thuộc vào khoảng 25 hằng số như vậy. Các ví dụ nổi tiếng là hằng số hấp dẫn, xác định sức mạnh của lực tác dụng giữa hai cơ thể, như Trái đất và Mặt trăng và tốc độ ánh sáng.
Một trong những hằng số này là cái gọi là hằng số cấu trúc tinh xảo, alpha = 1 / 137.03599958, một tổ hợp điện tích của electron, hằng số Planck và tốc độ ánh sáng. Hằng số cấu trúc tinh tế mô tả cách các lực điện từ giữ các nguyên tử lại với nhau và cách ánh sáng tương tác với các nguyên tử.
Nhưng những hằng số vật lý cơ bản này có thực sự không đổi? Có phải những con số đó luôn giống nhau, ở mọi nơi trong Vũ trụ và mọi lúc? Đây không phải là một câu hỏi ngây thơ như nó có vẻ. Các lý thuyết đương đại về các tương tác cơ bản, chẳng hạn như Lý thuyết thống nhất lớn hoặc các lý thuyết siêu chuỗi xử lý lực hấp dẫn và cơ học lượng tử một cách nhất quán, không chỉ dự đoán sự phụ thuộc của hằng số vật lý cơ bản với các thí nghiệm vật lý hạt năng lượng đã cho thấy hằng số cấu trúc mịn đối với phát triển đến giá trị khoảng 1/128 ở mức năng lượng va chạm cao - nhưng cho phép biến đổi thời gian và không gian vũ trụ của chúng. Một sự phụ thuộc thời gian của các hằng số cơ bản cũng có thể dễ dàng phát sinh nếu, ngoài ba chiều không gian, còn tồn tại nhiều chiều ẩn hơn.
Ngay trong năm 1955, nhà vật lý người Nga Lev Landau đã xem xét khả năng phụ thuộc thời gian của alpha. Vào cuối những năm 1960, George Gamow ở Hoa Kỳ cho rằng điện tích của electron, và do đó cũng là alpha, có thể thay đổi. Tuy nhiên, rõ ràng là những thay đổi như vậy, nếu có, không thể lớn hoặc chúng đã được phát hiện trong các thí nghiệm tương đối đơn giản. Theo dõi những thay đổi có thể do đó đòi hỏi các kỹ thuật tinh vi và chính xác nhất.
Nhìn lại thời gian
Trong thực tế, các ràng buộc khá mạnh đã được biết là tồn tại đối với sự biến đổi có thể có của hằng số cấu trúc mịn alpha. Một hạn chế như vậy là về bản chất địa chất. Nó dựa trên các biện pháp được thực hiện trong lò phản ứng phân hạch tự nhiên cổ đại nằm gần Oklo (Gabon, Tây Phi) và hoạt động cách đây khoảng 2.000 triệu năm. Bằng cách nghiên cứu sự phân bố của một tập hợp các nguyên tố nhất định - đồng vị của các loại đất hiếm, ví dụ như samarium - được tạo ra bởi sự phân hạch của uranium, người ta có thể ước tính liệu quá trình vật lý xảy ra với tốc độ nhanh hơn hay chậm hơn chúng ta mong đợi ngày nay Do đó, chúng ta có thể đo lường sự thay đổi có thể của giá trị của hằng số cơ bản đang phát ở đây, alpha. Tuy nhiên, phân phối quan sát của các phần tử phù hợp với các tính toán giả định rằng giá trị của alpha tại thời điểm đó chính xác giống như giá trị ngày nay. Do đó, trong hơn 2 tỷ năm, sự thay đổi của alpha vì thế phải nhỏ hơn khoảng 2 phần trên 100 triệu. Nếu có mặt, đây thực sự là một thay đổi nhỏ.
Nhưng những gì về những thay đổi sớm hơn nhiều trong lịch sử của Vũ trụ?
Để đo lường điều này, chúng ta phải tìm phương tiện để thăm dò thêm về quá khứ. Và đây là nơi thiên văn học có thể giúp đỡ. Bởi vì, mặc dù các nhà thiên văn học có thể nói chung là thí nghiệm, nhưng chính Vũ trụ là một phòng thí nghiệm vật lý nguyên tử khổng lồ. Bằng cách nghiên cứu các vật thể rất xa, các nhà thiên văn học có thể nhìn lại một khoảng thời gian dài. Bằng cách này, người ta có thể kiểm tra các giá trị của hằng số vật lý khi Vũ trụ chỉ có 25% tuổi hiện tại, nghĩa là khoảng 10.000 triệu năm trước.
Đèn hiệu rất xa
Để làm như vậy, các nhà thiên văn học dựa vào quang phổ - phép đo các tính chất của ánh sáng phát ra hoặc bị hấp thụ bởi vật chất. Khi ánh sáng từ ngọn lửa được quan sát qua lăng kính, có thể nhìn thấy cầu vồng. Khi rắc muối lên ngọn lửa, các đường màu vàng riêng biệt được đặt chồng lên các màu thông thường của cầu vồng, được gọi là đường phát xạ. Đặt một tế bào khí giữa ngọn lửa và lăng kính, người ta nhìn thấy những đường tối trên cầu vồng: đây là những đường hấp thụ. Bước sóng của các vạch phổ phát xạ và hấp thụ này liên quan trực tiếp đến mức năng lượng của các nguyên tử trong muối hoặc trong khí. Quang phổ do đó cho phép chúng ta nghiên cứu cấu trúc nguyên tử.
Cấu trúc tinh tế của các nguyên tử có thể được quan sát bằng quang phổ khi sự phân chia các mức năng lượng nhất định trong các nguyên tử đó. Vì vậy, nếu alpha thay đổi theo thời gian, phổ phát xạ và hấp thụ của các nguyên tử này cũng sẽ thay đổi. Do đó, một cách để tìm kiếm bất kỳ thay đổi nào về giá trị của alpha so với lịch sử của Vũ trụ là đo quang phổ của các quasar ở xa và so sánh các bước sóng của các vạch quang phổ nhất định với các giá trị ngày nay.
Chuẩn tinh ở đây chỉ được sử dụng như đèn hiệu - ngọn lửa - trong vũ trụ rất xa. Các đám mây khí liên sao trong các thiên hà, nằm giữa các quasar và chúng ta trên cùng một đường ngắm và ở khoảng cách khác nhau từ sáu đến mười một triệu triệu năm ánh sáng, hấp thụ các phần ánh sáng phát ra từ các quasar. Do đó, phổ kết quả thể hiện các thung lũng tối đen có thể được quy cho các yếu tố nổi tiếng.
Nếu hằng số cấu trúc mịn xảy ra thay đổi theo thời gian của hành trình ánh sáng, mức năng lượng trong các nguyên tử sẽ bị ảnh hưởng và bước sóng của các vạch hấp thụ sẽ bị thay đổi bởi các lượng khác nhau. Bằng cách so sánh các khoảng trống tương đối giữa các thung lũng với các giá trị trong phòng thí nghiệm, có thể tính toán alpha là một hàm của khoảng cách với chúng ta, nghĩa là, là một hàm của thời đại của Vũ trụ.
Tuy nhiên, các biện pháp này cực kỳ tinh vi và đòi hỏi mô hình hóa các đường hấp thụ rất tốt. Họ cũng đặt ra những yêu cầu cực kỳ mạnh mẽ đối với chất lượng của quang phổ thiên văn. Họ phải có đủ độ phân giải để cho phép đo rất chính xác các dịch chuyển cực nhỏ trong quang phổ. Và phải thu được đủ số lượng photon để cung cấp kết quả rõ ràng về mặt thống kê.
Đối với điều này, các nhà thiên văn học phải chuyển sang các thiết bị quang phổ tiên tiến nhất trên các kính thiên văn lớn nhất. Đây là nơi mà kính viễn vọng siêu tím và nhìn thấy được (UVES) và kính viễn vọng ESO L Kueyen 8.2 m tại Đài quan sát Paranal là không thể đánh bại, nhờ chất lượng quang phổ không đồng đều và diện tích gương thu lớn của sự kết hợp này.
Liên tục hay không?
Một nhóm các nhà thiên văn học [1], do Patrick Petitjean (Viện nghiên cứu Parisstrophysique de Paris và Observatoire de Paris, Pháp) và Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, Ấn Độ) dẫn đầu đã nghiên cứu rất kỹ một mẫu đồng nhất của 50 hệ thống hấp thụ được quan sát bằng UVES và Kueyen dọc theo 18 đường quasar xa của tầm nhìn. Họ đã ghi lại phổ của các quasar trong tổng số 34 đêm để đạt được độ phân giải phổ cao nhất có thể và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tốt nhất. Thủ tục tự động tinh vi được thiết kế đặc biệt cho chương trình này đã được áp dụng.
Ngoài ra, các nhà thiên văn học đã sử dụng các mô phỏng mở rộng để chỉ ra rằng họ có thể mô hình chính xác các cấu hình dòng để phục hồi một biến thể có thể có của alpha.
Kết quả của nghiên cứu sâu rộng này là trong hơn 10.000 triệu năm qua, độ biến thiên tương đối của alpha phải nhỏ hơn 0,6 phần triệu. Đây là hạn chế mạnh nhất từ các nghiên cứu dòng hấp thụ chuẩn tinh cho đến nay. Quan trọng hơn, kết quả mới này không hỗ trợ các tuyên bố trước đây về sự thay đổi đáng kể về mặt thống kê của alpha theo thời gian.
Thật thú vị, kết quả này được hỗ trợ bởi một phân tích khác - ít rộng rãi hơn, cũng được thực hiện với máy quang phổ UVES trên VLT [2]. Mặc dù những quan sát đó chỉ liên quan đến một trong những chuẩn tinh được biết đến HE 0515-4414, nghiên cứu độc lập này hỗ trợ thêm cho giả thuyết không có biến thể của alpha.
Mặc dù những kết quả mới này thể hiện sự cải thiện đáng kể về kiến thức của chúng tôi về sự biến đổi có thể (không phải) của một trong các hằng số vật lý cơ bản, về nguyên tắc, bộ dữ liệu hiện tại vẫn cho phép các biến thể tương đối lớn so với các kết quả từ các phép đo từ lò phản ứng tự nhiên Oklo. Tuy nhiên, sự tiến bộ hơn nữa trong lĩnh vực này được dự kiến với máy quang phổ kế vận tốc xuyên tâm có độ chính xác rất cao mới HARPS trên kính viễn vọng ESO Lốc 3,6 m tại Đài thiên văn La Silla (Chile). Máy quang phổ này hoạt động ở giới hạn của công nghệ hiện đại và chủ yếu được sử dụng để phát hiện các hành tinh mới xung quanh các ngôi sao khác ngoài Mặt trời - nó có thể cung cấp một trật tự cải thiện cường độ trong việc xác định sự biến đổi của alpha.
Các hằng số cơ bản khác có thể được thăm dò bằng cách sử dụng chuẩn tinh. Đặc biệt, bằng cách nghiên cứu các bước sóng của hydro phân tử trong Vũ trụ từ xa, người ta có thể thăm dò sự biến đổi của tỷ lệ giữa khối lượng của proton và electron. Hiện tại, cùng một nhóm đang tham gia vào một cuộc khảo sát lớn như vậy với Kính thiên văn Rất lớn sẽ dẫn đến những hạn chế chưa từng có về tỷ lệ này.
Nguồn gốc: ESO News Release
