探索精细结构“常数”和宇宙暗能量本质
原文标题:Fundamental Aspect of the Universe has Remained Unchanged

原文来自:http://www.universetoday.com/  Posted: Apr 18, 2005

编译:Steed   审校:Linq (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)


根据一组研究星系和宇宙演化的天文学家的观测,一个影响到原子发光颜色和所有化学反应的基本常数在最近的70多亿年间,没有发生过改变。
在今天(4月18日)召开的美国物理学会(APS)年会上,劳伦斯-伯克利国家实验室的天文学家杰弗里·纽曼(Jeffrey Newman)报告了这一结果,他代表的是DEEP2研究项目,这个合作项目是由加州大学伯克利分校和圣克鲁兹分校领导的。

精细结构常数是少数几个在物理学中扮演着中心角色的常数之一,几乎出现在所有与电磁有关的方程式之中,包括那些描述原子辐射电磁波(光子)的方程。不论它的本质如何,仍然有一些理论学家提出,它会随着宇宙年龄的增长而发生细微的变化, 这会通过原子核与其周围电子之间的吸引力变化而反映出来。

过去几年间,一批澳大利亚的天文学报告说,这个常数在宇宙的一生中已经增加了100,000分之一。他们是在测量了遥远类星体发出的光线经过较近星系时产生的吸收线之后,得出这一结论的。然而,其他的天文学家们使用了同样的技术,却没有找到这样的变化。

DEEP2巡天小组的最新观测使用了一种更为直接的方法,对这个常数进行了独立的测量,结果表明在30,000分之一的精度上,常数没有发生变化。

“精细结构常数设定了电磁力的强度,电磁力影响了原子结合的方式和原子内部的能级。在某种程度上说,它决定了所有由原子组成的普通物质的规模,”纽曼说。“这个零结果意味着,理论学家不需要再寻找理论,来解释为什么它会产生这些的变化。”

精细结构常数,通常由希腊字母α表示,是自然界中一些其他“常数”的比值,在某些理论中,那些常数会随着宇宙时间而改变。它的数值等于电子电荷的平方除以光速与普朗克常数的乘积,根据最近的一个理论,只要光速会随时间变化,α也会发生改变。一些暗能量理论和大统一理论,尤其是那些涉及到我们所熟悉的四维时空以外维度的理论,预言了精细结构常数的逐渐演化,纽曼说。

DEEP2是一项为期五年的巡天计划,研究对象是那些远在70到80亿光年以外的星系,它们的光波都因为宇宙的膨胀而被拉长或红移到原始波长的2倍左右。虽然这项由国家科学基金会支持的合作计划的目的并不是寻找精细结构常数的变化,但目前为止对40,000个星系的观测数据显然已经可以服务于这项研究。

“在这项庞大的巡天中,一小部分数据浮现出来,它们似乎可以完美地回答杰夫(杰夫里·纽曼的昵称)提出的问题,”DEEP2首席研究员,加州大学伯克利分校的天文和物理学教授马克·戴维斯(Marc Davis)说。“这项巡天确实具有普遍意义,将会拥有无数个用途。”

几年前,高等学术研究所的天文学家约翰·巴考(John Bahcall)指出,在对精细结构常数变化的搜寻中,测量遥远星系的发射线要比测量吸收线更加直接,误差更小。纽曼很快意识到,DEEP2星系所包含的氧发射线非常适合对任何的改变进行精细的测量。

“当根据吸收线得到的矛盾结果开始显现的时候,我有了一个想法,既然我们拥有了所有这些高红移星系(的数据),也许我们能够不利用吸收线,而使用我们样本中的发 射线,做一些工作,”纽曼说。“如果精细结构常数改变了,发射线也会发生非常细微的变化。”

DEEP2的数据使得纽曼和他的同事们可以测量离子氧(OIII,即失去了两个电子的氧)发射线的波长,在5,000埃左右的测量精度好于0.01埃。1埃 等于1/10纳米,大约是一个氢原子的宽度。

“这一精度仅次于人们搜寻行星时的精度,”他说,他指的是对恒星微弱摆动的检测,这是由周围的行星对恒星的牵引作用而产生的。

DEEP2小组比较了300多个独立星系的两条OIII发射线的波长,这些星系位于不同的距离或红移上,红移分布在0.4(大约40亿年前)到0.8(大约70亿年前)之间。测量到的精细结构常数值与今天的数值没有区别,大约等于1/137。在这段长达40亿年的时期内,α的数值也没有出现增加或减少的趋势。

“我们的零结果并不是最精确的测量,但给出了更精确结果的其他方法(使用吸收线的方法)涉及到了系统误差,导致不同的人使用这种方法得出了不同的结果,”纽曼说。

纽曼还在APS会议上宣布,DEEP2巡天的首批数据(2002)已经公开释放,其中包含了巡天小组希望扫描的50,000个遥远星系中的百分之十。DEEP2利用夏威夷凯克II望远镜上的DEIMOS摄谱仪记录了这些遥远星系的红移、亮度和颜色光谱,主要是 为了对当时和现在的星系团进行比较。这项巡天现已完成了超过80%,将在今年夏天结束观测,全部数据将在2007年公布。

“这确实是一套独特的数据,可以同时描述星系和宇宙随时间的演化过程,”纽曼说。“斯隆数字巡天所做的测量大约达到了红移0.2左右,即回顾了过去的20-30亿年。我们在红移0.7时才真正开始测量,主要的测量集中在0.8或0.9,相当于70-80亿年之前,当时宇宙的年龄只有今天的一半。”

这项巡天还完成了一项测量,有可能会揭开暗能量的本质,这种神秘的能量渗透在宇宙之中,似乎造成了宇宙的加速膨胀。研究小组目前正在建立不同的暗能量理论模型,将理论的预言与最新的DEEP2测量数据进行比较。

就像戴维斯解释的,暗能量的总量,目前被估计为宇宙总能量的70%,决定了星系和星系团的演化。通过统计遥远的空间体积中,小星系群和大质量星系团的数量,研究它们与星系团 的红移和质量的关系,就有可能测量出宇宙到今天膨胀的总量,这取决于暗能量的本质。

“基本来说,你统计出星系团的数量,然后问,‘这是多了还是少了?’”戴维斯说。“完全就是统计总数。如果星系团极少,这就意味着宇宙膨胀 了相当多。如果存在着大量星系团,那宇宙就并没有膨胀得太多。”

戴维斯目前正在将DEEP2测量数据与最简单的暗能量理论的预言进行比较,但他希望在其他理论学家的合作之下,能够对更奇异的暗能量理论 进行检验。

“他们真正想得到的是,暗能量密度是如何随着宇宙的膨胀而改变的,”加州大学伯克利分校的理论物理学家马丁·怀特(Martin White)说,他是与戴维斯一同工作的天文和物理学教授。“如果暗能量密度是爱因斯坦的宇宙学常数,那么理论预言就是,它不会发生变化。现在的圣杯是,找到它不是宇宙学常数的证据,证明它确实在发生变化。”

(全文完)

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