Inte bara verkar en universell konstant irriterande inkonstant vid kosmos yttre utkanter, det sker bara i en riktning, vilket är rent konstigt.

De som ser fram emot en dag då vetenskapens Grand Unifying Theory of Everything skulle kunna bäras på en t-shirt kan behöva vänta lite längre eftersom astrofysiker fortsätter att hitta antydningar om att en av de kosmologiska konstanterna trots allt inte är så konstant.

I en tidning publicerad i Vetenskapens framsteg , forskare från UNSW Sydney rapporterade att fyra nya mätningar av ljus som emitteras från en kvasar 13 miljarder ljusår bort bekräftar tidigare studier som fann små variationer i den fina strukturkonstanten.

UNSW Sciences professor John Webb säger att den fina strukturkonstanten är ett mått på elektromagnetism - en av de fyra grundläggande krafterna i naturen (de andra är gravitation, svag kärnkraft och stark kärnkraft).

"Finstrukturkonstanten är den kvantitet som fysiker använder som ett mått på styrkan hos den elektromagnetiska kraften, " säger professor Webb.

"Det är ett dimensionslöst tal och det involverar ljusets hastighet, något som kallas Plancks konstant och elektronladdningen, och det är ett förhållande av dessa saker. Och det är siffran som fysiker använder för att mäta styrkan hos den elektromagnetiska kraften."

Den elektromagnetiska kraften gör att elektroner susar runt en kärna i varje atom i universum – utan den, all materia skulle flyga isär. Fram till nyligen, det ansågs vara en oföränderlig kraft genom tid och rum. Men under de senaste två decennierna, Professor Webb har lagt märke till anomalier i den fina strukturkonstanten där elektromagnetisk kraft mätt i en viss riktning av universum verkar något annorlunda.

"Vi hittade en antydan om att numret på den fina strukturkonstanten var annorlunda i vissa regioner av universum. Inte bara som en funktion av tiden, men faktiskt också i riktning i universum, vilket egentligen är ganska konstigt om det är korrekt ... men det är vad vi hittade."

Letar efter ledtrådar

Alltid skeptiker, när professor Webb först stötte på dessa tidiga tecken på något svagare och starkare mätningar av den elektromagnetiska kraften, han trodde att det kunde vara ett fel på utrustningen, eller om hans beräkningar eller något annat fel som hade lett till de ovanliga avläsningarna. Det var när man tittade på några av de mest avlägsna kvasarerna – massiva himlakroppar som avger exceptionellt hög energi – vid universums kanter som dessa anomalier först observerades med hjälp av världens mest kraftfulla teleskop.

"De mest avlägsna kvasarerna som vi känner till är cirka 12 till 13 miljarder ljusår från oss, " säger professor Webb.

"Så om du kan studera ljuset i detalj från avlägsna kvasarer, du studerar universums egenskaper som det var när det var i sin linda, bara en miljard år gammal. Universum var då mycket, mycket olika. Inga galaxer existerade, de tidiga stjärnorna hade bildats men det fanns verkligen inte samma population av stjärnor som vi ser idag. Och det fanns inga planeter."

Han säger att i den aktuella studien, teamet tittade på en sådan kvasar som gjorde det möjligt för dem att söka tillbaka till när universum bara var en miljard år gammalt, vilket aldrig hade gjorts tidigare. Teamet gjorde fyra mätningar av den fina konstanten längs den ena siktlinjen till denna kvasar. Individuellt, de fyra mätningarna gav inget avgörande svar på huruvida det fanns märkbara förändringar i den elektromagnetiska kraften. Dock, i kombination med många andra mätningar mellan oss och avlägsna kvasarer gjorda av andra vetenskapsmän och som inte är relaterade till denna studie, skillnaderna i den fina strukturkonstanten blev uppenbara.

Ett konstigt universum

"Och det verkar stödja denna idé att det kan finnas en riktning i universum, vilket är väldigt konstigt, " säger professor Webb.

"Så universum kanske inte är isotropt i sina fysiklagar - en som är densamma, statistiskt sett, åt alla håll. Men egentligen, det kan finnas någon riktning eller föredragen riktning i universum där fysikens lagar förändras, men inte i vinkelrät riktning. Med andra ord, universum i någon mening, har en dipolstruktur.

"I en speciell riktning, vi kan se tillbaka 12 miljarder ljusår och mäta elektromagnetism när universum var mycket ungt. Att lägga ihop all data, elektromagnetismen tycks gradvis öka ju längre vi tittar, medan mot motsatt riktning, det minskar gradvis. I andra riktningar i kosmos, den fina strukturen konstant förblir just det — konstant. Dessa nya mycket avlägsna mätningar har drivit våra observationer längre än någonsin tidigare."

Med andra ord, i vad som ansågs vara en godtyckligt slumpmässig spridning av galaxer, kvasarer, svarta hål, stjärnor, gasmoln och planeter – med liv som blomstrar i åtminstone en liten nisch av det – tycks universum plötsligt ha motsvarigheten till en nordlig och en sydlig. Professor Webb är fortfarande öppen för tanken att på något sätt dessa mätningar gjorda i olika stadier med hjälp av olika tekniker och från olika platser på jorden faktiskt är en massiv slump.

"Detta är något som tas på största allvar och betraktas, helt korrekt med skepsis, även av mig, även om jag gjorde det första arbetet med det med mina elever. Men det är något du måste testa eftersom det är möjligt att vi lever i ett konstigt universum."

Men för att lägga till sidan av argumentet som säger att dessa fynd är mer än bara tillfälligheter, ett team i USA som arbetar helt självständigt och okänt för professor Webbs, gjorde observationer om röntgenstrålar som verkade passa med tanken att universum har någon form av riktning.

"Jag visste ingenting om denna tidning förrän den dök upp i litteraturen, " han säger.

"Och de testar inte fysikens lagar, de testar egenskaperna, röntgenegenskaperna hos galaxer och galaxhopar och kosmologiska avstånd från jorden. De fann också att universums egenskaper i denna mening inte är isotropa och det finns en föredragen riktning. Och se, deras riktning sammanfaller med vår."

Liv, universum och allt

Samtidigt som vi fortfarande vill se mer rigorösa tester av idéer om att elektromagnetism kan fluktuera i vissa delar av universum för att ge den en form av riktning, Professor Webb säger att om dessa fynd fortsätter att bekräftas, de kan hjälpa till att förklara varför vårt universum är som det är, och varför det överhuvudtaget finns liv i den.

"Under en lång tid, man har trott att naturlagarna verkar perfekt inställda för att sätta förutsättningarna för livet att blomstra. Styrkan hos den elektromagnetiska kraften är en av dessa storheter. Om det bara var några få procent annorlunda än värdet vi mäter på jorden, universums kemiska utveckling skulle vara helt annorlunda och livet kanske aldrig har kommit igång. Det väcker en lockande fråga:gör denna "Guldlocks situation, där grundläggande fysiska storheter som den fina strukturkonstanten är "precis rätt" för att gynna vår existens, gäller i hela universum?"

Om det finns en riktning i universum, Professor Webb hävdar, och om elektromagnetism visar sig vara väldigt lite annorlunda i vissa delar av kosmos, de mest grundläggande begreppen som ligger till grund för mycket av modern fysik kommer att behöva revideras.

"Vår standardmodell för kosmologi är baserad på ett isotropiskt universum, en som är densamma, statistiskt sett, åt alla håll, " han säger.

"Denna standardmodellen i sig bygger på Einsteins gravitationsteori, som själv uttryckligen antar beständighet i naturlagarna. Om sådana grundläggande principer bara visar sig vara goda approximationer, dörrarna är öppna för några mycket spännande, nya idéer inom fysiken."

Professor Webbs team tror att detta är det första steget mot en mycket större studie som utforskar många riktningar i universum, med hjälp av data som kommer från nya instrument på världens största teleskop. Ny teknik dyker nu upp för att ge data av högre kvalitet, och nya analysmetoder för artificiell intelligens kommer att hjälpa till att automatisera mätningar och utföra dem snabbare och med större precision.