Det mest exakta astronomiska testet av elektromagnetism hittills

Kredit: NASA

Det finns ett besvärligt, besvärligt problem med vår förståelse av naturens lagar som fysiker har försökt förklara i årtionden. Det handlar om elektromagnetism, lagen om hur atomer och ljus samverkar, som förklarar allt från varför du inte faller genom golvet till varför himlen är blå.

Vår teori om elektromagnetism är utan tvekan den bästa fysiska teorin som människor någonsin har gjort – men den har inget svar på varför elektromagnetismen är så stark som den är. Endast experiment kan säga dig elektromagnetismens styrka, som mäts med ett tal som kallas α (aka alfa, eller finstrukturkonstanten).

Den amerikanske fysikern Richard Feynman, som hjälpte till att komma med teorin, kallade detta “ett av fysikens största jäkla mysterier” och uppmanade fysiker att “sätta upp det här numret på deras vägg och oroa sig för det.”

I forskning som just publicerats i Vetenskap, bestämde vi oss för att testa om α är densamma på olika platser i vår galax genom att studera stjärnor som är nästan identiska tvillingar till vår sol. Om α är olika på olika platser kan det hjälpa oss att hitta den ultimata teorin, inte bara om elektromagnetism, utan om alla naturlagar tillsammans – “teorin om allting”.

Vi vill bryta vår favoritteori

Fysiker vill verkligen ha en sak: en situation där vår nuvarande förståelse av fysik går sönder. Ny fysik. En signal som inte kan förklaras av aktuella teorier. En vägvisare för teorin om allting.

Solens regnbåge: solljuset sprids här i separata rader, som var och en täcker bara ett litet spektrum av färger, för att avslöja de många mörka absorptionslinjerna från atomer i solens atmosfär. Kredit: NA Sharp / KPNO / NOIRLab / NSO / NSF / AURA, CC BY

För att hitta den kan de vänta djupt under jorden i en guldgruva på att partiklar av mörk materia ska kollidera med en speciell kristall. Eller så kan de noggrant sköta världens bästa atomur i åratal för att se om de visar något annorlunda tid. Eller slå ihop protoner med (nästan) ljusets hastighet i den 27 km långa ringen av Large Hadron Collider.

Problemet är att det är svårt att veta var man ska leta. Våra nuvarande teorier kan inte vägleda oss.

Naturligtvis letar vi i laboratorier på jorden, där det är lättast att söka grundligt och noggrant. Men det är lite som att fyllan bara letar efter sina borttappade nycklar under en lyktstolpe när han faktiskt kan ha tappat bort dem på andra sidan vägen, någonstans i ett mörkt hörn.

Stjärnor är hemska, men ibland fruktansvärt lika

Vi bestämde oss för att se bortom jorden, bortom vårt solsystem, för att se om stjärnor som är nästan identiska tvillingar av vår sol producerar samma regnbåge av färger. Atomer i stjärnornas atmosfär absorberar en del av ljuset som kämpar utåt från kärnugnarna i deras kärnor.

Endast vissa färger absorberas och lämnar mörka linjer i regnbågen. De absorberade färgerna bestäms av α – så att mäta de mörka linjerna mycket noggrant låter oss också mäta α.

Varmare och kallare gas som bubblar genom stjärnors turbulenta atmosfärer gör det svårt att jämföra absorptionslinjer i stjärnor med dem som ses i laboratorieexperiment. Kredit: NSO / AURA / NSF, CC BY

Problemet är att stjärnornas atmosfärer rör sig – kokar, snurrar, loopar, rapar – och dessa förskjuter linjerna. Skiften förstör varje jämförelse med samma linjer i laboratorier på jorden, och därmed alla möjligheter att mäta α. Stjärnor verkar vara hemska ställen att testa elektromagnetism.

Men vi undrade: om du hittar stjärnor som är väldigt lika – tvillingar av varandra – kanske deras mörkabsorberade färger också är lika. Så istället för att jämföra stjärnor med laboratorier på jorden, jämförde vi tvillingar av vår sol med varandra.

Ett nytt test med soltvillingar

Vårt team av studenter, postdoktorer och seniora forskare, vid Swinburne University of Technology och University of New South Wales, mätte avståndet mellan par av absorptionslinjer i vår sol och 16 “solar tvillingar” – stjärnor nästan omöjliga att skilja från vår sol.

Regnbågarna från dessa stjärnor observerades på det 3,6 meter långa teleskopet European Southern Observatory (ESO) i Chile. Även om det inte är det största teleskopet i världen, matas ljuset det samlar in i förmodligen den bäst kontrollerade, bäst förstådda spektrografen: HARPS. Detta separerar ljuset i dess färger och avslöjar det detaljerade mönstret av mörka linjer.

HARPS tillbringar mycket av sin tid med att observera solliknande stjärnor för att söka efter planeter. Detta gav praktiskt taget en skattkammare av exakt den data vi behövde.

ESO-teleskopet på 3,6 meter i Chile ägnar mycket av sin tid åt att observera solliknande stjärnor för att söka efter planeter med sin extremt exakta spektrograf, HARPS. Kredit: Iztok Bončina / ESO, CC BY

Från dessa utsökta spektra har vi visat att α var densamma i de 17 soltvillingarna med en häpnadsväckande precision: bara 50 delar per miljard. Det är som att jämföra din höjd med jordens omkrets. Det är det mest exakta astronomiska testet av α som någonsin utförts.

Tyvärr bröt inte våra nya mätningar vår favoritteori. Men de stjärnor vi har studerat är alla relativt nära, bara upp till 160 ljusår bort.

Vad kommer härnäst?

Vi har nyligen identifierat nya soltvillingar mycket längre bort, ungefär halvvägs till mitten av vår Vintergatans galax.

I denna region borde det finnas en mycket högre koncentration av mörk materia – ett svårfångat ämne som astronomer tror lurar i hela galaxen och bortom. Liksom α vet vi mycket lite om mörk materia, och vissa teoretiska fysiker antyder att de inre delarna av vår galax kanske bara är det mörka hörnet. Vi borde söka efter kopplingar mellan dessa två “fysikens jäkla mysterier.”

Om vi ​​kan observera dessa mycket mer avlägsna solar med de största optiska teleskopen, kanske vi hittar nycklarna till universum.

Mer information:
Michael T. Murphy et al, En gräns för variationer i finstrukturkonstanten från spektra av närliggande solliknande stjärnor, Vetenskap (2022). DOI: 10.1126/science.abi9232

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.Konversationen

Citat: ‘Ett av fysikens största jävla mysterier’: Det mest exakta astronomiska testet av elektromagnetism hittills (2022, 11 november) hämtat 11 november 2022 från https://phys.org/news/2022-11-greatest-damn-mysteries -physics-precise.html

Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Bortsett från all rättvis handel i syfte att privata studier eller forskning, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast i informationssyfte.

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *