С нашим пониманием законов природы связана неуклюжая, утомительная проблема, которую физики пытались объяснить на протяжении десятилетий. Речь идет об электромагнетизме, законе взаимодействия атомов и света, который объясняет все, от того, почему вы не проваливаетесь сквозь пол, до того, почему небо голубое.
Наша теория электромагнетизма, возможно, является лучшей физической теорией, которую когда-либо создавали люди, но она не дает ответа на вопрос, почему электромагнетизм так силен. Только эксперименты могут определить силу электромагнетизма, которая измеряется числом, называемым α (также известным как альфа или постоянная тонкой структуры ).
Американский физик Ричард Фейнман, принимавший участие в разработке теории, назвал это «одной из величайших чертовых загадок физики» и призвал физиков «повесить это число на стену и беспокоиться об этом».
В исследовании, только что опубликованном в журнале Science, мы решили проверить, одинаково ли α в разных местах нашей галактики, изучая звезды, которые являются почти идентичными близнецами нашего солнца. Если α различна в разных местах, это может помочь нам найти окончательную теорию не только электромагнетизма, но и всех законов природы вместе взятых — «теорию всего».
Мы хотим сломать нашу любимую теорию
Физики действительно хотят одного: ситуации, когда наше нынешнее понимание физики рушится. Новая физика. Сигнал, который не может быть объяснен современными теориями. Знак-пост для теории всего.
Чтобы найти его, они могут ждать глубоко под землей в золотом руднике, пока частицы темной материи не столкнутся со специальным кристаллом. Или они могут годами внимательно следить за лучшими в мире атомными часами , чтобы проверить, показывают ли они немного другое время. Или столкнуть протоны на (почти) скорости света в 27-километровом кольце Большого адронного коллайдера.
Проблема в том, что трудно понять, где искать. Наши нынешние теории не могут вести нас.
Конечно, мы ищем в лабораториях на Земле, где проще всего искать тщательно и наиболее точно. Но это немного похоже на то, как пьяный только ищет потерянные ключи под фонарным столбом , когда на самом деле он мог потерять их на другой стороне дороги, где-нибудь в темном углу.
Звезды страшные, но иногда ужасно похожие
Мы решили заглянуть за пределы Земли, за пределы нашей Солнечной системы , чтобы увидеть, производят ли звезды, которые являются почти идентичными близнецами нашего Солнца, такой же радугой цветов. Атомы в атмосферах звезд поглощают часть света, вырывающегося наружу из ядерных печей в их ядрах.
Поглощаются только определенные цвета, оставляя темные линии в радуге. Эти поглощаемые цвета определяются α, поэтому очень тщательное измерение темных линий также позволяет нам измерить α.
Проблема в том, что атмосферы звезд движутся — кипят, вращаются, закручиваются, извергаются — и это сдвигает линии. Сдвиги портят любое сравнение с теми же линиями в лабораториях на Земле, а значит, и любую возможность измерения α. Звёзды, кажется, — ужасное место для проверки электромагнетизма.
Но мы задались вопросом: если вы найдете звезды, которые очень похожи — близнецы друг друга — возможно, их темные, поглощенные цвета тоже похожи. Поэтому вместо того, чтобы сравнивать звезды с лабораториями на Земле, мы сравнили близнецов нашего солнца друг с другом.
Новый тест с солнечными близнецами
Наша группа студентов, докторантов и старших исследователей из Технологического университета Суинберна и Университета Нового Южного Уэльса измерила расстояние между парами линий поглощения на нашем Солнце и 16 «солнечных близнецах» — звездах, почти неотличимых от нашего Солнца.
Радуги от этих звезд наблюдались на 3,6-метровом телескопе Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили. Хотя это и не самый большой телескоп в мире, свет, который он собирает, направляется, вероятно, в наиболее управляемый и понятный спектрограф: HARPS . Это разделяет свет на его цвета, раскрывая детальный узор из темных линий.
HARPS проводит большую часть своего времени, наблюдая за солнцеподобными звездами в поисках планет. Удобно, что это предоставило сокровищницу именно тех данных, которые нам нужны.
Из этих изысканных спектров мы показали, что α был одинаковым у 17 солнечных близнецов с поразительной точностью: всего 50 частей на миллиард. Это как сравнивать свой рост с окружностью Земли. Это самый точный астрономический тест α из когда-либо проводившихся.
К сожалению, наши новые измерения не нарушили нашу любимую теорию. Но все звезды , которые мы изучили, находятся относительно близко, всего в 160 световых годах от нас.
Что дальше?
Недавно мы обнаружили новых солнечных двойников гораздо дальше, примерно на полпути к центру нашей галактики Млечный Путь.
В этом регионе должна быть гораздо более высокая концентрация темной материи — неуловимого вещества, которое, по мнению астрономов, скрывается по всей галактике и за ее пределами. Как и в случае с α, мы очень мало знаем о темной материи, и некоторые физики-теоретики предполагают, что внутренние части нашей галактики могут быть просто темным уголком, в котором мы должны искать связь между этими двумя «проклятыми тайнами физики».
Если мы сможем наблюдать эти гораздо более далекие солнца с помощью самых больших оптических телескопов, возможно, мы найдем ключи ко Вселенной.
