Quasares distantes mostram que as constantes fundamentais nunca mudam
O quasar ilustrado aqui emite uma enorme quantidade de radiação eletromagnética de bilhões de anos-luz de distância. As características de absorção e emissão do gás interveniente nos permitem medir constantes fundamentais como α. Crédito da imagem: ESO/M. Kornmesser.
Quer que a velocidade da luz, a constante de estrutura fina ou outras mudem? Há um novo obstáculo a ser superado.
O mistério sobre α é na verdade um duplo mistério. O primeiro mistério — a origem de seu valor numérico α ≈ 1/137 foi reconhecido e discutido por décadas. O segundo mistério – o alcance de seu domínio – geralmente não é reconhecido. – Malcolm H. MacGregor
Do ponto de vista da física, há muito se supõe que as constantes fundamentais e as leis da natureza são realmente as mesmas em todos os lugares e em todos os momentos. No entanto, uma constante adimensional particular, α, a razão entre a carga elétrica, a velocidade da luz e a constante de Planck, foi mostrada por vários estudos anteriores para mostrar variações tanto quanto mais distantes no tempo olhamos e em diferentes locais no céu. No entanto, novas observações de uma equipe que trabalha no observatório de Arecibo, do quasar PKS 1413+135, colocaram uma restrição muito forte nas variações de tempo, colocando em dúvida as descobertas anteriores. Para apenas 1,3 partes em um milhão, a constante fundamental α mais uma vez parece ser verdadeiramente constante.
As constantes fundamentais da física, conforme relatado pelo Particle Data Group em 1986. Com poucas exceções, muito pouco mudou. Crédito da imagem: Particle Data Group / LBL / DOE / NSF.
Existem certas suposições que fazemos sobre o Universo que parecem ser verdadeiras com base no que vemos, no que nossas teorias afirmam e no que podemos inferir ao colocá-las juntas. Vemos estrelas e galáxias distantes que emitem a mesma luz e exibem as mesmas características espectrais que as próximas de nós, então assumimos que as leis que governam átomos e núcleos são as mesmas. Vemos as mesmas transições de hidrogênio, então assumimos que as cargas elétricas e as massas das partículas quânticas são as mesmas. Vemos o mesmo agrupamento e rotações de galáxias em grande escala, então assumimos que as leis gravitacionais são as mesmas. E vemos um padrão consistente nas energias, velocidades e emissões de partículas cósmicas, apontando para a mesma velocidade da luz. De todas as constantes fundamentais, no entanto, uma mostrou algumas evidências circunstanciais de mudança ao longo do tempo: α, a constante de acoplamento eletromagnético.
Várias formulações das constantes envolvidas no cálculo de α, decorrentes de propriedades quânticas fundamentais. Crédito da imagem: página da Wikipedia para constante de estrutura fina.
α é conhecido como constante de estrutura fina , que define a força da interação eletromagnética. É completamente definido em termos de algumas das constantes físicas com as quais estamos mais familiarizados: é a razão da carga elementar (de, digamos, um elétron) ao quadrado da constante de Planck multiplicada pela velocidade da luz. Quando você junta essas constantes, obtém um sem dimensão número! Nas energias atualmente presentes em nosso Universo, esse número chega a ≈ 1/137.036, embora a força dessa interação aumenta à medida que a energia das partículas que interagem aumentam. Então, quando o Universo estava muito, muito quente – como apenas 1 nanossegundo após o Big Bang – α era mais como 1/128. Esse efeito é muito pequeno para afetar galáxias distantes em teoria, mas uma equipe chegou a um resultado chocante.
Os espectros de absorção de linha estreita nos permitem testar se as constantes variam observando as variações no posicionamento das linhas. Crédito da imagem: M. T. Murphy, J. K. Webb, V. V. Flambaum e S. J. Curran.
Por quase 20 anos, uma equipe liderada pelo astrofísico australiano John Webb tem observado transições atômicas em quasares distantes, em busca de variações em α. Existem níveis de energia muito intrincados e precisos que existem tanto no hidrogênio normal quanto em seu isótopo pesado (com um nêutron extra), o deutério. Quando há uma mudança de energia entre esses níveis mal separados, ela é conhecida como transição fina ou hiperfina e produz fótons extremamente precisos, ou quanta de luz. Se medirmos os espectros desses diferentes quasares e procurarmos as transições hiperfinas precisas, veremos essas linhas aparecerem com as mesmas propriedades, as mesmas razões e nos mesmos comprimentos de onda/frequência em todos os lugares, onde a única diferença é um alongamento devido a a expansão cósmica do espaço. Mas o que eles descobriram foi um efeito bizarro: α parece variar dependendo de onde você está no Universo distante!
As variações espaciais na constante de estrutura fina são indicadas a partir de um estudo anterior de 2011. Crédito da imagem: J. K. Webb et ai., Phys. Rev. Lett. 107, 191101 (2011).
Quando olhamos para quasares que estão a centenas de milhões e até bilhões de anos-luz de distância, as observações de Keck indicam que α era menor no passado, em grandes desvios para o vermelho. No entanto, observações do Very Large Telescope indicam que α era maior em redshifts muito altos, mostrando uma variação possivelmente estranha. Além disso, parece que uma direção no céu tem um valor de α que parece um pouco maior que a média em algumas partes em um milhão, enquanto a direção oposta mostra valores ligeiramente abaixo da média na mesma quantidade. É um efeito extremamente pequeno, pois as variações são apenas cerca de 0,0005%, mas parece ser real.
A variação média observada do estudo anterior em função do ângulo/posição no céu. Crédito da imagem: J. K. Webb et ai., Phys. Rev. Lett. 107, 191101 (2011).
Abundam especulações sobre o porquê, incluindo isso:
- talvez a velocidade da luz esteja mudando?
- talvez a carga elétrica fundamental varie dependendo da localização?
- talvez a constante de Planck – a constante que governa as interações quânticas – não seja realmente uma constante?
- ou talvez diferentes locais no Universo não tenham as mesmas propriedades fundamentais afinal?
É sempre possível que haja um efeito sistemático aqui; que essas variações de poucas partes em um milhão são devidas a erros na técnica de medição e não devido à nova física. Mas se for esse o caso, os erros não foram identificados.
Um quasar ultradistante encontrará nuvens de gás na jornada da luz para a Terra, permitindo-nos medir α. Crédito da imagem: Ed Janssen, ESO.
Felizmente, existe uma classe de sistema muito particular – embora rara – que pode ser usada para verificar a constância de α como nunca antes. A três bilhões de anos-luz de distância, um quasar brilhante foi encontrado com uma nuvem de gás hidroxila molecular (moléculas OH) à sua frente. A molécula tem transições finas e hiperfinas muito particulares, deixando assinaturas em 1,612 GHz e 1,720 GHz, respectivamente, que podem ser observadas com um radiotelescópio grande e sensível o suficiente. O O observatório de Arecibo esteve à altura do desafio , e após 150 horas de observação dedicada, eles conseguiram obter medições perfeitas dessas linhas: 1,612 GHz graças à sua absorção da luz quasar de fundo e 1,720 GHz devido à sua emissão estimulada. O resultado? A melhor restrição de sempre sobre como a constante de estrutura fina, α, não varia com o tempo: não mais que 1,3 partes em um milhão, ou 0,00013%.
O radiotelescópio de Arecibo visto de cima. O diâmetro de 1000 pés (305 m) foi o maior telescópio de prato único de 1963 até 2016. Crédito da imagem: H. Schweiker/WIYN e NOAO/AURA/NSF.
Esta observação coloca restrições extremamente fortes sobre se a constante de estrutura fina varia com o tempo ou não: não varia. No entanto, não descarta uma variação espacial, uma vez que apenas um sistema notável foi observado. Dos três pesquisadores envolvidos neste projeto, Nissim Kanekar, Jayaram Chengalurand e Tapasi Ghosh, apenas este último estava disponível para comentários. Em uma conversa com Ghosh, ela elucidou que essas nuvens de hidroxila podem estar presentes em torno de um grande número de quasares distantes, e que observações de rádio extraordinariamente precisas ainda podem revelar essas características de absorção ou emissão em outros lugares.
Esperamos que as pesquisas atuais por mais candidatos a quasares que mostrem as linhas OH necessárias sejam bem-sucedidas. Isso pode fornecer restrições ainda mais rígidas sobre quaisquer variações possíveis dessa constante atômica.
Se mais desses sistemas forem encontrados, podemos provar de uma vez por todas que as variações observadas anteriormente em α foram devidas a erros de medição ou sistemáticos e incertezas, e não devido a quaisquer variações fundamentais. Embora a expectativa seja que as constantes fundamentais se tornem verdadeiramente constantes, a única maneira de saber com certeza é coletar mais dados. Após quase 20 anos de incerteza, estamos um passo mais perto de demonstrar que as leis da natureza são realmente as mesmas em todos os lugares.
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