Een fundamenteel aantal dat de kleur van het door atomen uitgezonden licht beïnvloedt, evenals alle chemische interacties, is niet veranderd in meer dan 7 miljard jaar, volgens waarnemingen van een team van astronomen die de evolutie van sterrenstelsels en het heelal in kaart hebben gebracht.
De resultaten worden vandaag (maandag 18 april) gerapporteerd tijdens de jaarlijkse bijeenkomst van de American Physical Society (APS) door astronoom Jeffrey Newman, een Hubble Fellow bij het Lawrence Berkeley National Laboratory die DEEP2 vertegenwoordigt, een samenwerking onder leiding van de University of California, Berkeley , en UC Santa Cruz. Newman presenteert de gegevens en een update over het DEEP2-project om 13.00 uur. EDT-persconferentie in het Marriott Waterside Hotel in Tampa, Fla.
De fijne structuurconstante, een van de weinige zuivere getallen die een centrale rol in de natuurkunde innemen, duikt op in bijna alle vergelijkingen met betrekking tot elektriciteit en magnetisme, inclusief die welke de emissie van elektromagnetische golven - licht - door atomen beschrijven. Ondanks zijn fundamentele aard, hebben sommige theoretici echter gesuggereerd dat het subtiel verandert naarmate het heelal ouder wordt, als gevolg van een verandering in de aantrekkingskracht tussen de atoomkern en de zoemende elektronen.
In de afgelopen paar jaar heeft een groep Australische astronomen gemeld dat de constante gedurende de levensduur van het heelal met ongeveer één deel op 100.000 is toegenomen, op basis van de metingen van de absorptie van licht van verre quasars terwijl het licht door sterrenstelsels dichterbij komt aan ons. Andere astronomen hebben een dergelijke verandering echter niet gevonden met dezelfde techniek.
De nieuwe waarnemingen van het DEEP2-onderzoeksteam gebruiken een meer directe methode om een onafhankelijke meting van de constante te geven, en vertonen geen verandering binnen één deel op 30.000.
'De constante met fijne structuur bepaalt de sterkte van de elektromagnetische kracht, die van invloed is op hoe atomen elkaar vasthouden en de energieniveaus binnen een atoom. Op een bepaald niveau helpt het bij het bepalen van de schaal van alle gewone materie die uit atomen bestaat, 'zei Newman. "Dit nulresultaat betekent dat theoretici geen verklaring hoeven te vinden waarom het zo zou veranderen."
De constante met fijne structuur, aangeduid met de Griekse letter alpha, is een verhouding van andere 'natuurconstanten' die in sommige theorieën in de kosmische tijd kunnen veranderen. Gelijk aan het kwadraat van de lading van het elektron gedeeld door de snelheid van de lichttijd van de constante van Planck, zou alpha volgens een recente theorie alleen veranderen als de lichtsnelheid in de loop van de tijd zou veranderen. Sommige theorieën over donkere energie of grootse eenwording, in het bijzonder die welke veel extra dimensies omvatten buiten de vier ruimte en tijd waarmee we bekend zijn, voorspellen een geleidelijke evolutie van de fijne structuurconstante, zei Newman.
DEEP2 is een vijfjarig onderzoek van sterrenstelsels op een afstand van meer dan 7 tot 8 miljard lichtjaar waarvan het licht is uitgestrekt of roodverschoven om de oorspronkelijke golflengte bijna te verdubbelen door de uitdijing van het universum. Hoewel het samenwerkingsproject, ondersteund door de National Science Foundation, niet was ontworpen om te zoeken naar variatie in de constante van de fijne structuur, werd het duidelijk dat een deelverzameling van de tot nu toe waargenomen 40.000 sterrenstelsels dat doel zou dienen.
"In dit gigantische onderzoek blijkt dat een klein deel van de gegevens perfect lijkt om de vraag die Jeff stelt te beantwoorden", zegt DEEP2-hoofdonderzoeker Marc Davis, professor in de astronomie en natuurkunde aan de UC Berkeley. "Deze enquête is echt een algemeen doel en zal voor miljoenen toepassingen dienen."
Enkele jaren geleden wees astronoom John Bahcall van het Institute for Advanced Study erop dat het meten van emissielijnen van verre sterrenstelsels bij het zoeken naar variaties in de constante met fijne structuur directer en minder foutgevoelig zou zijn dan het meten van absorptielijnen. Newman realiseerde zich al snel dat DEEP2-sterrenstelsels met zuurstofemissielijnen perfect geschikt waren om elke verandering nauwkeurig te meten.
"Toen het tegenstrijdige resultaat het gevolg was van het verschijnen van absorptielijnen, had ik het idee dat, aangezien we al deze hoge roodverschuivingsstelsels hebben, we misschien iets niet kunnen doen met absorptielijnen, maar met emissielijnen in ons monster", zei Newman. "Emissielijnen zouden heel iets anders zijn als de constante van de fijne structuur veranderde."
Met de DEEP2-gegevens konden Newman en zijn collega's de golflengte van emissielijnen van geïoniseerde zuurstof (OIII, dat wil zeggen zuurstof die twee elektronen heeft verloren) meten met een precisie van beter dan 0,01 Angstroms uit 5.000 Angstroms. Een Angstrom, ongeveer de breedte van een waterstofatoom, komt overeen met 10 nanometer.
"Dit is een precisie die alleen wordt overtroffen door mensen die op zoek zijn naar planeten", zei hij, verwijzend naar zwakke wiebels in sterren als gevolg van planeten die aan de ster trekken.
Het DEEP2-team vergeleek de golflengten van twee OIII-emissielijnen voor 300 individuele sterrenstelsels op verschillende afstanden of roodverschuivingen, variërend van een roodverschuiving van ongeveer 0,4 (ongeveer 4 miljard jaar geleden) tot 0,8 (ongeveer 7 miljard jaar geleden). De gemeten constante van de fijne structuur verschilde niet van de huidige waarde, die ongeveer 1/137 is. Er was ook geen opwaartse of neerwaartse trend in de waarde van alpha over deze periode van 4 miljard jaar.
"Ons nulresultaat is niet de meest nauwkeurige meting, maar een andere methode (kijken naar absorptielijnen) die nauwkeurigere resultaten geeft, omvat systematische fouten die ervoor zorgen dat verschillende mensen die de methode gebruiken verschillende resultaten opleveren," zei Newman.
Newman kondigde tijdens de APS-bijeenkomst ook de openbare publicatie aan van het eerste seizoen van gegevens (2002) van de DEEP2-enquête, die 10 procent vertegenwoordigt van de 50.000 verre sterrenstelsels die het team hoopt te onderzoeken. DEEP2 gebruikt de DEIMOS-spectrograaf op de Keck II-telescoop in Hawaï om roodverschuiving, helderheid en kleurenspectrum van deze verre sterrenstelsels vast te leggen, voornamelijk om clustering van sterrenstelsels toen en nu te vergelijken. De enquête, die nu voor meer dan 80 procent is voltooid, zou de waarnemingen deze zomer moeten afronden, met volledige publicatie van gegevens tegen 2007.
"Dit is echt een unieke dataset om te beperken hoe zowel sterrenstelsels zijn geëvolueerd als hoe het universum zich in de loop van de tijd heeft ontwikkeld", zei Newman. “De Sloan Digital Sky Survey voert metingen uit tot ongeveer roodverschuiving 0.2, terugkijkend op de laatste 2-3 miljard jaar. We beginnen echt bij roodverschuiving 0,7 en bereiken een piek van 0,8 of 0,9, wat overeenkomt met 7-8 miljard jaar geleden, een tijd waarin het universum half zo oud was als nu. ”
Het onderzoek heeft ook voltooide metingen die licht zouden kunnen werpen op de aard van donkere energie - een mysterieuze energie die het universum doordringt en de uitdijing van het universum lijkt te versnellen. Het team modelleert nu verschillende theorieën over donkere energie om theoretische voorspellingen te vergelijken met de nieuwe DEEP2-metingen.
Zoals Davis het uitlegde, bepaalt de hoeveelheid donkere energie, nu geschat op 70 procent van alle energie in het universum, de evolutie van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Door het aantal kleine groepen en enorme clusters van sterrenstelsels in een verafgelegen ruimtevolume te tellen als functie van hun roodverschuiving en massa, is het mogelijk om de hoeveelheid waarmee het universum tot op de dag van vandaag is uitgebreid, te meten, afhankelijk van de natuur van donkere energie.
'In feite tel je de clusters en vraag je:' Zijn er veel of een paar? ', Zei Davis. "Dat is alles. Als er maar heel weinig clusters zijn, betekent dit dat het universum behoorlijk is uitgebreid. En als er veel clusters zijn, breidde het universum zich niet zo veel uit. "
Davis vergelijkt momenteel DEEP2-metingen met voorspellingen van de eenvoudigste donkere-energietheorie, maar hoopt samen te werken met andere theoretici om meer exotische donkere-energietheorieën te testen.
"Wat ze echt proberen te bereiken, is hoe de donkere energiedichtheid verandert terwijl het universum zich uitbreidt", zegt UC Berkeley theoretisch natuurkundige Martin White, een professor in de astronomie en natuurkunde die met Davis heeft samengewerkt. "Als de donkere energiedichtheid de kosmologische constante van Einstein is, dan is de theoretische voorspelling dat het niet verandert. De heilige graal is nu om enig bewijs te krijgen dat het niet de kosmologische constante is, dat het in feite aan het veranderen is. "
Oorspronkelijke bron: UC Berkeley
