Cirka 150 timmars observationstid den 1, 000-fots radioteleskop vid Arecibo-observatoriet i Puerto Rico har under de senaste åren ägnats åt att avgöra om den mest grundläggande konstanten i fysiken verkligen är konstant.
Målet är den så kallade finstrukturkonstanten, vanligtvis känd som alfa, som beskriver den elektromagnetiska interaktionen mellan elementärladdade partiklar. Dess värde är avgörande för att förstå arten av atomspektra, vilket i sin tur gör det möjligt för astronomer att mäta den radiella hastigheten för galaxer från vilka dessa spektrallinjer observeras. Sådana observationer ledde till upptäckten att galaxer verkar dra sig undan från varandra med hastigheter som ökar med avståndet mellan dem. Detta är en manifestation av universums expansion efter Big Bang.
Vår nuvarande modell för universums expansion och acceleration beror på antagandet att varken alfa eller mu, massförhållandet proton till elektron, har förändrats med tiden. Detta antagande är nyckeln till vår nuvarande förståelse av universums ålder. Men vad händer om alfa förändras med tiden? Då skulle vår kunskap om avståndet mellan galaxer eller universums ålder behöva revideras.
Arecibo-teleskopet har nyligen använts för att sätta en ny gräns för hur konstant saker och ting är. Medan de senaste uppgifterna tyder på att det kan finnas en liten förändring i alfa, det är fortfarande för tidigt att vara säker. Med en osäkerhet på mätningen på ungefär en del på en miljon, det är ännu inte dags att fira, inte heller att dra en lättnadens suck.
Arecibo-observationerna har utförts av Nissim Kanekar och Jayaram Chengalur från National Center for Radio Astrophysics i Indien, och Tapasi Ghosh, en Universities Space Research Association (USRA) astronom vid Arecibo Observatory. Deras experiment använder sig av en fantastisk konkordans av kosmiska omständigheter som involverar kvasaren PKS 1413+135, som ligger cirka 3 miljarder ljusår bort. Framför den kvasaren, och förmodligen kring dess radioljuskärna, är ett moln av OH-molekyler (OH är också känt som hydroxyl).
Hydroxylens atomegenskaper är mycket välkända från laboratorie- och teoretiska studier. OH-molnet i Arecibo-experimentet observeras i två spektrallinjer, en på 1612 MHz och den andra på 1720 MHz. Vad som är ovanligt är att en av linjerna (1612) syns i absorption och den andra (1720) i emission. Dessa linjer sägs vara konjugerade, det är, de är spegelbilder av varandra, vilket säkerställer att de kommer från samma gasmoln.
Detta är en avgörande faktor för att minska systematiska osäkerheter i mätningen av alfa. Från Arecibo-spektra, vi kan mäta den observerade frekvensskillnaden mellan de två linjerna och jämföra den med laboratorieresultaten. Eftersom denna kvasar ses som den var 3 miljarder år i det förflutna och vårt laboratorium är i nuet, vi kan avgöra hur verkligt konstant alfa är över tiden.
150-timmarsintegrationen vid Arecibo gör att de två spektrallinjerna kan jämföras med mycket hög noggrannhet. Resultatet antyder att alfa inte har förändrats med mer än 1,3 delar på en miljon, under dessa 3 miljarder år.
För att göra mätningarna ännu mer exakta skulle det krävas antingen mer teleskoptid eller turen att hitta en mer avlägsen kvasar med ett liknande OH-moln i dess grannskap. Till exempel, att förbättra noggrannheten med en faktor 10 skulle kräva 100 gånger mer observationstid än vad som redan har ägnats åt projektet. Det är inte en realistisk möjlighet.
"Vi är hoppfulla att nuvarande sökningar efter fler kvasarkandidater som visar de nödvändiga OH-linjerna kommer att bli framgångsrika, " noterade Dr. Tapasi Ghosh. "Dessa skulle kunna ge ännu hårdare begränsningar för alla möjliga variationer av denna atomkonstant."
Tills dess, Arecibo-mätningen är den nya guldstandarden för att definiera hur säkra vi är på att en fysisk nyckelkonstant – en konstant som bestämmer universums storlek och skala – verkligen är konstant.
