私たちはこれまでで最も正確な電磁気学の天文学的テストで遠い太陽を研究しました

物理学者が何十年にもわたって説明しようとしてきた自然の法則の理解には、ぎこちなく厄介な問題があります。 原子と光がどのように相互作用するかの法則である電磁気学に関するもので、床から落ちない理由から空が青い理由まで、すべてを説明しています。

私たちの電磁気学の理論は、間違いなく人類がこれまでに作成した中で最高の物理理論ですが、なぜ電磁気学がこれほど強力なのかについての答えはありません. α(別名アルファ、または微細構造定数)と呼ばれる数値で測定される電磁気力の強さを知ることができるのは、実験だけです。

この理論の考案に貢献したアメリカの物理学者リチャード・ファインマンは、これを「物理学の最大のミステリーの 1 つ」と呼び、物理学者に「この数字を壁に掲げて心配する」よう促しました。

Science に掲載されたばかりの研究では、太陽のほぼ同一の双子である星を研究することにより、銀河内のさまざまな場所で α が同じであるかどうかをテストすることにしました。 α が場所によって異なる場合、電磁気学だけでなく、すべての自然の法則をまとめた究極の理論、つまり「すべての理論」を見つけるのに役立つかもしれません。

好きな理論を壊したい

物理学者が本当に望んでいるのは、物理学に対する現在の理解が崩壊する状況です。 新しい物理学。 現在の理論では説明できないシグナル。 すべての理論への道しるべ。

それを見つけるために、彼らは暗黒物質の粒子が特別な結晶と衝突するのを金鉱山の地下深くで待つかもしれません. あるいは、世界最高の原子時計を何年にもわたって慎重に手入れして、わずかに異なる時間を示しているかどうかを確認するかもしれません. または、ラージ ハドロン衝突型加速器の 27 km のリングで (ほぼ) 光速で陽子を衝突させます。

問題は、どこを見ればよいか分からないことです。 私たちの現在の理論は私たちを導くことができません.

もちろん、徹底的かつ正確に検索するのが最も簡単な地球上の研究所を調べます。 しかしそれは、実際には道の反対側の暗い隅のどこかでなくしたかもしれないのに、酔っぱらいが街灯の下でなくした鍵を探しているようなものです。

太陽の虹: 太陽の大気中の原子からの多くの暗い吸収線を明らかにするために、太陽光はここで別々の列に広がり、それぞれがわずかな範囲の色しかカバーしていません。
NA Sharp / KPNO / NOIRLab / NSO / NSF / AURA、CC BY

星はひどいものですが、時にはひどく似ています

私たちは、太陽とほぼ同じ双子である星が同じ虹色を生み出すかどうかを確認するために、地球を超えて、太陽系を超えて見ることにしました。 星の大気中の原子は、中心部にある核炉から外に出ようとしている光の一部を吸収します。

特定の色のみが吸収され、虹に暗い線が残ります。 これらの吸収された線は α によって決定されるため、暗さを非常に注意深く測定することで、α を測定することもできます。

太陽の泡立つ大気を示すクローズアップ画像。
星の乱れた大気中を高温または低温のガスが泡立つため、星の吸収線を実験室での実験で見られる吸収線と比較することは困難です。
NSO / オーラ / NSF、CC BY

問題は、星の大気が動いていて、沸騰し、回転し、ループし、げっぷをしており、これが線をシフトさせることです. シフトは、地球上の実験室での同じ線との比較を台無しにし、したがって α を測定する可能性を台無しにします。 どうやら、星は電磁気学をテストするには恐ろしい場所のようです。

しかし、私たちは疑問に思いました: 非常によく似た星 (互いに双子) を見つけた場合、それらの暗い吸収色も同様に類似している可能性があります。 そのため、恒星を地球上の研究所と比較する代わりに、太陽の双子を互いに比較しました。

太陽の双子の新しいテスト

スウィンバーン工科大学とニューサウスウェールズ大学の学生、ポスドク、シニア研究者からなる私たちのチームは、太陽と 16 個の「太陽双生児」 (太陽とほとんど区別できない星) の吸収線のペア間の間隔を測定しました。

これらの星からの虹は、チリの 3.6 メートルのヨーロッパ南天天文台 (ESO) 望遠鏡で観測されました。 世界最大の望遠鏡ではありませんが、それが収集する光は、おそらく最もよく制御され、最もよく理解されている分光器である HARPS に供給されます。 これにより、光が色に分離され、暗い線の詳細なパターンが明らかになります。



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HARPS は、惑星を探すために太陽のような星を観測することに多くの時間を費やしています。 便利なことに、これにより、まさに必要なデータの宝庫が提供されました。

丘の中腹にあるドーム型望遠鏡のシルエットの背後にある夜空に星が円を描く様子を示す長時間露光の写真。
チリの ESO 3.6 メートル望遠鏡は、非常に正確な分光器 HARPS を使用して惑星を検索するために、太陽のような星を観察することに多くの時間を費やしています。
Iztok Bončina / ESO、CC BY

これらの精巧なスペクトルから、αが17個の太陽双生児で同じであることを驚くべき精度で示しました:わずか50ppbです。 それは、自分の身長を地球の円周と比較するようなものです。 これは、これまでに実施された α の最も正確な天文学的テストです。

残念ながら、私たちの新しい測定値は、私たちのお気に入りの理論を破るものではありませんでした. しかし、私たちが研究した星はすべて比較的近くにあり、最大で 160 光年しか離れていません。

次は何ですか?

私たちは最近、天の川銀河の中心の半分ほど離れた、はるか遠くにある新しい太陽双生児を特定しました。

この領域には暗黒物質がはるかに高い濃度で存在しているはずです。これは、天文学者が銀河全体とそれを超えて潜んでいると信じているとらえどころのない物質です。 α のように、暗黒物質について私たちは貴重なことをほとんど知りません。一部の理論物理学者は、私たちの銀河の内部は、これら 2 つの「いまいましい物理学の謎」の間の接続を検索する必要がある暗黒の隅にすぎない可能性があると示唆しています。

最大の光学望遠鏡でもっと遠い太陽を観測できれば、宇宙の鍵が見つかるかもしれません。



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