Солнцеподобные звезды помогли точнее узнать постоянную тонкой структуры

Австралийские астрономы уточнили значение постоянной тонкой структуры, детально сравнив спектры Солнца и шестнадцати похожих на него звезд. Отобрав для анализа 22 спектральные линии, ученые рассчитали 17 частотных интервалов для каждой звезды и сравнили их с теорией. В результате ошибка в определении постоянной тонкой структуры снизилась до рекордных 12 миллиардных долей. Исследование опубликовано в Science.

Постоянная тонкой структуры входит в набор констант Стандартной модели и отвечает за интенсивность электромагнитного взаимодействия. Фундаментальная роль этой константы мотивирует физиков на постоянное уточнение ее значения. Постоянная тонкой структуры определяет положение спектральных линий атомов, поэтому ее первые измерения были проведены с помощью изучения свечения атома водорода в лабораторных условиях. Этот подход ученые применяют и по сей день. Подробнее об этом читайте в материале «Щель в доспехах».

Астрономические наблюдения стали еще одним источником знания о постоянной тонкой структуры. Эти исследования не только обладают большей точностью (благодаря им постоянная известна с относительной неопределенностью в 150 миллиардных долей), но и позволяют проверить ее значение на большом временном отрезке и в экстремальных космологических условиях.

Традиционный подход основан на измерении спектра далеких звезд и сравнения его с эталонными спектрами химических элементов, полученными на Земле, после учета допплеровского смещения. На сегодняшний день этот подход достиг своего предела, а точность определения постоянной тонкой структуры ограничивается систематическими ошибками, вызванными разностью условий, в которых находятся источники спектров.

Группа австралийских астрономов под руководством Майкла Мёрфи (Michael Murphy) из Технологического Университета Суинберн использовала другой подход. Вместо сравнения с лабораторными эталонами, ученые попарно сравнивали спектры звезд, близкой массы и химического состава. Такой способ, примененный к спектральным данным 17 звезд, включая Солнце, позволил добиться относительной ошибки измерения постоянной тонкой структуры равной рекордным 12 миллиардным долям.

Задача о сравнении спектров осложняется тем, что звезды удаляются или приближаются относительно Земли с различной скоростью, а значит эффект Допплера будет смещать линии индивидуально для каждой из них. Этот факт помогает определять скорость звезд, однако, применительно к сравнению длин волн света, испускаемого в разных частях космоса, он требует внесения корректировочных множителей. Их физикам приходится тщательно вычислять для всех спектральных линий всех химических элементов, проявляющих себя в спектрах звезд.

Вооружившись результатами этих расчетов, австралийские астрономы сконцентрировались на солнцеподобных звездах главной последовательности, расположенных в пределах 50 парсеков от Солнца, с близкими к нему параметрами температуры, металличности и поверхностной гравитации. Отобрав для анализа 16 звезд и включив в список наше светило, ученые остановили свой выбор на 22 спектральных линиях, которые хорошо видны во всех спектрах и принадлежат натрию, кальцию, нейтральному и ионизированному титану, ванадию, хрому, железу и никелю. Данные были собраны спектрографом HARPS, установленным в обсерватории Ла-Силья в Чили.

Чтобы еще сильнее уменьшить систематические погрешности, они сравнивали расстояния между парами близлежащих линий (всего 17 пар), измеренных в спектрах разных звезд. Центральная часть каждой линии шириной примерно 5,7 километров в секунду (HARPS измеряет смещение линий не в нанометрах, а в радиальных скоростях, с которой удаляется звезда) аппроксимировалась гауссовским контуром, после чего вычислялись разности. Под полученные данные авторы подгоняли теоретические значения, приправленные систематическими поправками астрофизического и технического происхождения. В результате ученые получили хорошее согласие с известным значением, а его средневзвешенная относительная ошибка составила 7 ± 5_stat ± 11_sys миллиардных долей (10^-9).

Ранее мы рассказывали, как астрономические наблюдения помогают уточнять и другие константы, например, гравитационную постоянную или постоянную Хаббла.