BerandaComputers and TechnologyLensa Supermasif tentang Konstanta Alam

Lensa Supermasif tentang Konstanta Alam

T Hadiah Nobel Fisika 2020 diberikan kepada tiga peneliti yang mengkonfirmasi bahwa relativitas umum Einstein memprediksi lubang hitam, dan menetapkan bahwa pusat galaksi kita menampung lubang hitam supermasif setara dengan 4 juta matahari dikemas dalam ruang yang relatif kecil. Selain memperluas pemahaman kita tentang lubang hitam, medan gravitasi yang kuat di sekitar lubang hitam supermasif adalah laboratorium untuk mempelajari alam dalam kondisi ekstrim. Para peneliti, termasuk salah satu Penerima Nobel baru, Andrea Ghez di UCLA, telah mengukur bagaimana gravitasi intens mengubah konstanta struktur halus, salah satu konstanta alam yang mendefinisikan alam semesta fisik, dan dalam hal ini, kehidupan di dalamnya. Penelitian ini memperluas upaya lain yang sedang berlangsung untuk memahami konstanta dan apakah konstanta itu bervariasi dalam ruang dan waktu. Harapannya adalah menemukan petunjuk untuk menyelesaikan masalah dalam Model Standar partikel elementer dan dalam kosmologi saat ini.

NOBEL LAUREATE: Andrea Ghez memenangkan hadiah terbesar sains atas penemuannya bersama lubang hitam supermasif di pusat galaksi kita. Dia juga secara tepat menentukan jalur elips dari bintang-bintang yang mengorbit pusat galaksi. Wikimedia Commons

Selain Ghez, Penerima Nobel lainnya yang dihormati pada tahun 2020 adalah Roger Penrose di Universitas Cambridge, yang memperdalam pemahaman teoretis kami tentang lubang hitam; dan Reinhard Genzel, dari Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics di Garching, Jerman. Ghez dan Genzel melakukan pengamatan dan analisis paralel namun terpisah yang mengarahkan masing-masing untuk menyimpulkan keberadaan lubang hitam supermasif galaksi kita. Pada jarak 27.000 tahun cahaya, mendapatkan data yang baik membutuhkan teleskop besar. Ghez bekerja dengan Keck Observatory di Mauna Kea di Hawaii, dan Genzel menggunakan Very Large Telescope di Chili. Setiap peneliti menemukan bahwa gerakan bintang yang mereka amati muncul dari massa yang sangat besar di pusat galaksi. Mereka memperoleh nilai yang sama, 4 juta kali massa matahari kita, di wilayah yang hanya sebesar tata surya kita — bukti pasti adanya lubang hitam supermasif.

Penelitian Ghez di Keck menjadikannya rekan penulis dalam sebuah makalah yang diterbitkan tahun ini, di mana Aurélien Hees dari Paris Observatory dan 13 kolega internasional mempresentasikan hasil untuk konstanta struktur halus di dekat lubang hitam supermasif galaksi kita. Hebatnya, hasil pemenang Hadiah Nobel Ghez yang mendukung penelitian ini menggabungkan teori dan teknik astronomi saat ini dengan ide-ide yang berasal dari Johannes Kepler dan Isaac Newton untuk memeriksa gerakan bintang di dekat lubang hitam supermasif. Ini adalah contoh lain dari wawasan Newton tentang kemajuan ilmu pengetahuan ketika dia menulis pada tahun 1675, “Jika saya telah melihat lebih jauh, itu adalah dengan berdiri di atas bahu raksasa.”

Konstanta pada gaya gravitasi kuat di dekat lubang hitam bisa menjadi petunjuk untuk memodifikasi Model Standar.

Ahli astronomi Jerman, Kepler, adalah salah satu raksasa yang mengubah ilmu pengetahuan ketika dia mempresentasikan hukum gerakan planet pada tahun 1609. Dia adalah orang pertama yang menunjukkan bahwa planet memang demikian. tidak mengorbit matahari dalam lingkaran sempurna yang diilhami secara ilahi, seperti yang telah diasumsikan. Orbitnya berbentuk elips dengan matahari sebagai fokus elips, salah satu dari dua titik diimbangi secara simetris dari pusat yang menentukan cara membangun elips. Kepler juga menemukan hubungan matematis antara ukuran orbit planet dan berapa lama planet tersebut menyelesaikan suatu sirkuit.

Pada tahun 1687 Newton memberikan hukum Kepler dasar fisik yang lebih dalam dan lebih koheren. Hukum gravitasi Newton, berdasarkan tarikan timbal balik antar benda, menunjukkan bahwa benda langit dalam orbit tertutup mengelilingi suatu massa mengikuti jalur elips yang bergantung pada massa tersebut. Hasil ini, yang sekarang diajarkan dalam pengantar astronomi, adalah inti dari bagaimana Ghez menemukan massa lubang hitam supermasif. Pengamatan cermatnya selama bertahun-tahun secara tepat menentukan jalur elips bintang-bintang yang mengorbit pusat galaksi; kemudian dia menggunakan teori Newton untuk menghitung massa di pusat (relativitas umum, yang menggantikan hukum Newton, memprediksi lubang hitam, tetapi pendekatan Newton cukup akurat untuk orbit bintang di sekitar lubang hitam supermasif). Pengetahuan tentang orbit ini akan sangat penting untuk mengukur konstanta struktur halus dalam gravitasi kuat di dekat lubang hitam supermasif. Bagaimana konstanta itu bergantung pada gravitasi bisa menjadi petunjuk untuk memodifikasi Model Standar atau relativitas umum untuk menangani materi gelap dan energi gelap, dua teka-teki besar fisika kontemporer.

T pemeriksaan khususnya cocok dengan pemeriksaan jangka panjang yang lebih besar dari konstanta fundamental alam, yang masing-masing memberi tahu kita tentang ruang lingkup atau skala teori terdalam kita. Bersama dengan konstanta lain, konstanta struktur halus (dilambangkan dengan huruf Yunani α), muncul dalam Model Standar, teori medan kuantum partikel elementer. Nilai numerik α menentukan seberapa kuat foton dan partikel bermuatan listrik berinteraksi melalui gaya elektromagnetik, yang mengontrol alam semesta bersama dengan gravitasi dan gaya nuklir kuat dan lemah. Di antara pengaruhnya, elektromagnetisme menentukan tingkat tolakan antara proton dan bagaimana elektron berperilaku dalam sebuah atom. Jika nilai α jauh berbeda dari yang kita ketahui, itu akan mempengaruhi apakah fusi nuklir di dalam bintang menghasilkan unsur karbon atau apakah atom dapat membentuk molekul kompleks yang stabil. Keduanya diperlukan untuk kehidupan, alasan lain α penting.

Konstanta lain mewakili teori fisik utama lainnya: c , kecepatan cahaya dalam ruang hampa, sangat penting dalam relativitas; h , itu konstanta yang diturunkan oleh Max Planck (sekarang diambil sebagai “h-bar,” atau ħ = h / 2 π ), menetapkan ukuran kecil efek kuantum; dan G , konstanta gravitasi dalam teori Newton dan relativitas umum, menentukan bagaimana benda-benda astronomi berinteraksi. Pada tahun 1899 Planck hanya menggunakan ketiganya untuk menentukan sistem pengukuran universal berdasarkan sifat alami dan bukan artefak manusia. Sistem ini, tulisnya, akan sama “untuk semua masa dan semua peradaban, makhluk luar angkasa dan non-manusia.”

Hal ini menimbulkan anggapan bahwa dari banyak multiverse, di mana kita berada adalah yang memiliki nilai kemenangan.

Planck menurunkan satuan panjang alami, waktu, dan massa dari c , ħ , dan G : L P =1,6 x 10 – 35 meter, T P =5,4 x 10 – 44 detik, dan M P =2,2 x 10 – 8 kilogram. Terlalu kecil untuk menjadi praktis, mereka memiliki bobot konseptual. Di alam semesta saat ini, interaksi gravitasi antara partikel elementer terlalu lemah untuk mempengaruhi perilaku kuantumnya. Tapi tempatkan tubuh Planck kecil dengan panjang L P terpisah, kurang dari diameter sebuah partikel dasar, dan interaksi gravitasinya menjadi cukup kuat untuk menyaingi efek kuantum. Ini mendefinisikan “era Planck” 10 – 44 detik setelah Big Bang, ketika efek gravitasi dan kuantum memiliki kekuatan yang serupa dan akan membutuhkan teori gabungan gravitasi kuantum alih-alih dua teori terpisah yang kita miliki saat ini.

Namun demikian, bagi beberapa fisikawan, c , ħ , dan G tidak benar-benar mendasar karena bergantung pada unit pengukuran. Pertimbangkan misalnya bahwa c adalah 299.792 km / detik dalam satuan metrik tetapi 186.282 mil / detik dalam satuan bahasa Inggris, Hal ini menunjukkan bahwa satuan fisik adalah konstruksi budaya daripada melekat di alam (pada tahun 1999, Mars Climate Orbiter NASA mengalami kecelakaan fatal karena dua tim ilmiah lupa memeriksa yang mana sistem pengukuran yang digunakan orang lain). Konstanta yang merupakan bilangan murni, bagaimanapun, akan menerjemahkan dengan sempurna antara budaya dan bahkan antara kita dan alien dengan unit pengukuran yang sangat berbeda.

Konstanta struktur halus α menonjol karena membawa ini disukai kemurnian. Pada tahun 1916, ia muncul dalam perhitungan panjang gelombang cahaya yang dipancarkan atau diserap saat elektron tunggal dalam atom hidrogen melompat di antara level kuantum. Teori kuantum awal Niels Bohr memprediksi panjang gelombang utama tetapi spektrum menunjukkan fitur tambahan. Untuk menjelaskan hal ini, ahli teori Jerman Arnold Sommerfeld menambahkan relativitas pada teori kuantum atom hidrogen. Perhitungannya bergantung pada kuantitas yang disebutnya konstanta struktur halus. Ini termasuk ħ , c , dan muatan pada elektron e , konstanta alam lainnya; dan permitivitas ε 0 yang mewakili sifat listrik vakum. Hebatnya, unit fisik dalam koleksi aneh ini ditiadakan, hanya menyisakan angka murni 0,0072973525693.

BAHU RAKSASA: Ini Pemenang Nobel tahun ini menggunakan teknik astronomi yang berasal dari Isaac Newton, yang menulis tentang kemajuan ilmiah, “Jika saya telah melihat lebih jauh, itu adalah dengan berdiri di atas bahu raksasa.” Nicku / Shutterstock

Sommerfeld menggunakan α hanya sebagai parameter , tetapi ia mendapatkan ketenaran pada akhir 1920-an ketika ia muncul kembali dalam karya lanjutan tentang mekanika kuantum relativistik oleh fisikawan Prancis Paul Dirac, dan kemudian dalam apa yang diharapkan astronom Inggris Arthur Eddington akan menjadi Teori Segalanya. Dia berencana untuk menggabungkan teori kuantum dan relativitas untuk mendapatkan sifat-sifat alam semesta seperti jumlah partikel elementer di dalamnya, dan konstanta, α di antara mereka.

Salah satu twist di Eddington Pendekatannya adalah bahwa ia menganggap kuantitas 1 / α daripada α, karena analisisnya menunjukkan bahwa itu harus berupa bilangan bulat dan juga bilangan murni. Ini konsisten dengan pengukuran kontemporer yang menghasilkan 1 / α=137,1, mendekati 137 tepatnya. Kalkulasi Eddington malah menghasilkan 136, cukup dekat untuk meningkatkan minat. Pengukuran lebih lanjut menegaskan bahwa 1 / α=137.036. Upaya Eddington untuk membenarkan hasil yang berbeda tidak meyakinkan dan untuk ini dan alasan lain teorinya tidak bertahan.

Tapi α dan “137” tetap terkait, itulah sebabnya Richard Feynman menelepon 137 sebuah “angka ajaib”. Yang dia maksud tidak ada hubungannya dengan numerologi. Sebaliknya, kita tahu bagaimana mengukur nilai α tetapi bukan bagaimana mendapatkannya dari teori yang kita tahu. Ini juga berlaku untuk konstanta fundamental lainnya, termasuk bilangan murni seperti rasio massa proton dan elektron, dan kekurangan dalam Model Standar. Namun demikian, nilai α sangat penting dalam elektrodinamika kuantum, teori elektromagnetisme kuantum. Feynman sepenuhnya memahami hal ini, sejak ia mendapatkan Hadiah Nobel 1965 bersama dua ahli teori lain untuk mengembangkan elektrodinamika kuantum.

Jadi α diterima sebagai salah satu konstanta penting alam. Sekarang, dengan nilai besaran-besaran ini diketahui secara akurat, fisikawan bertanya, apakah mereka benar-benar konstan? Pada tahun 1937, pertimbangan tentang gaya di alam semesta membuat Dirac berspekulasi bahwa α dan G berubah seiring waktu seiring bertambahnya usia alam semesta. Spekulasi lain yang sugestif dan bahkan lebih tua adalah mempertanyakan apakah konstanta bervariasi di seluruh alam semesta. Pada tahun 1543, ketika astronom Polandia Nicolaus Copernicus meletakkan matahari dan bukan Bumi di pusat alam semesta, dia memindahkan manusia dari lokasi kosmik khususnya. Ini menyiratkan bahwa alam semesta sama di mana-mana, tetapi ini hanya asumsi.

V memunculkan “konstanta” akan mengubah kedua Model Standar dan kosmologi yang didasarkan padanya dan relativitas umum, yang antara lain gagal menjelaskan materi gelap dan energi gelap. Tambahkan peran α dalam gagasan bahwa alam semesta “disetel dengan baik” untuk mendukung kehidupan dan gagasan terkait bahwa dari banyak multiverse, tempat kita berada adalah yang memiliki nilai kemenangan α. Semua ini memacu penelitian tentang konstanta alam, sebagian besar berfokus pada α.

Pengukuran di bumi memastikan bahwa α ditetapkan dalam bagian per puluhan miliar. Proyek yang lebih menantang adalah mengukurnya dari jarak astronomis. Ini juga menentukan α pada masa kosmik awal, karena cahaya dari miliaran tahun cahaya membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk mencapai kita dari alam semesta yang lebih muda. Sejak 1999, John Webb di University of New South Wales, Australia, bersama rekannya telah melakukan pengukuran seperti itu dengan mengumpulkan cahaya dari inti galaksi jauh yang disebut quasar tempat lubang hitam menarik debu yang bersinar. Cahaya ini melintasi awan gas antarbintang dan diserap pada panjang gelombang karakteristik atom di awan. Menganalisis panjang gelombang menghasilkan α di lokasi yang jauh, sama seperti panjang gelombang hidrogen yang pertama kali didefinisikan α di Bumi.

Hasilnya mengisyaratkan pandangan Copernicus bahwa pada skala yang sangat besar, alam semesta terlihat hampir sama di mana-mana.

Hasil awal Webb menunjukkan bahwa α telah meningkat 0,0006 persen selama 6 miliar tahun terakhir atau lebih, dan itu tergantung pada jarak dari Bumi. Hasil yang diterbitkan pada tahun 2020 menunjukkan perubahan yang lebih kecil dalam α antara sekarang dan 13 miliar tahun lalu, ketika alam semesta hanya berusia 0,8 miliar tahun, yang ditafsirkan oleh penulis sebagai “konsisten tanpa perubahan temporal”. Hasil kumulatif juga menunjukkan bahwa α bervariasi sepanjang arah yang berbeda di ruang angkasa. Secara keseluruhan, kesalahan eksperimental terlalu besar untuk membangkitkan keyakinan bahwa setiap perubahan yang diukur dalam α benar, tetapi perubahannya pasti sangat kecil.

Sekarang α juga telah diukur dalam medan gravitasi yang kuat, di mana ia bisa berubah secara teoritis. Gravitasi terkuat yang kita ketahui berasal dari lubang hitam, di mana pesawat ruang angkasa harus mencapai kecepatan cahaya yang tidak dapat dicapai untuk melarikan diri. Tetapi gravitasi yang kuat juga menyertai katai putih, bintang yang telah mengeluarkan lapisan terluarnya untuk meninggalkan inti yang masif tetapi hanya berukuran planet. Pada 2013, JC Berengut dari University of New South Wales, bersama Webb dan yang lainnya menganalisis data spektral dari katai putih dan memperoleh perubahan α 0,004 persen relatif terhadap Bumi.

Namun, tidak ada yang mengukur α di dekat lubang hitam supermasif sampai tahun ini karya Hees dan rekan penulis termasuk Ghez. Hasil penelitiannya dari Keck membantu dalam memilih lima bintang yang orbitnya membawa mereka ke dekat lubang hitam supermasif untuk memaksimalkan efek gravitasinya, dan dari jenis yang spektra menampilkan fitur penyerapan yang kuat karena atmosfer bintang di sekitarnya. Ini memfasilitasi penurunan α dari panjang gelombang absorpsi untuk setiap bintang. Hasil akhir komposit lagi-lagi hanya menunjukkan perubahan kecil pada α, sebesar 0,001 persen atau kurang dibandingkan dengan Bumi.

Sapolsky_TH-F1

Juga dalam Fisika

Apakah Materi Sadar?

Oleh Hedda Hassel Mørch

Sifat kesadaran tampaknya unik di antara teka-teki ilmiah. Tidak hanya ahli saraf tidak memiliki penjelasan mendasar tentang bagaimana hal itu muncul dari keadaan fisik otak, kita bahkan tidak yakin apakah kita akan pernah melakukannya. Para astronom bertanya-tanya … BACA LEBIH LAJUT

Meskipun perubahan yang diukur dalam α kecil, hasil untuk lima bintang di tempat berbeda di medan gravitasi lubang hitam supermasif membawa hasil baru; mereka memungkinkan uji awal prediksi teoretis bahwa perubahan α sebanding dengan perubahan potensial gravitasi, energi yang disimpan dalam medan gravitasi. Hasilnya menegaskan bahwa kedua besaran itu proporsional, tetapi ketidakpastian dalam data hanya mendukung perkiraan kasar dari konstanta proporsionalitas. Nilai yang lebih dapat diandalkan dapat memilih di antara beberapa teori baru yang membahas materi gelap dan energi gelap.

Untuk saat ini, perubahan terukur dalam α melintasi ruang dan waktu, dan di bawah gravitasi, juga terlalu kecil atau tidak pasti untuk membimbing fisikawan menuju teori-teori baru atau bahkan untuk memicu spekulasi seperti prospek kehidupan yang jauh di alam semesta atau dekat lubang hitam. Kecilnya perubahan mengisyaratkan pandangan Copernicus bahwa pada skala yang sangat besar, alam semesta terlihat hampir sama di mana-mana, meskipun lebih banyak pengukuran dapat mengkonfirmasi bahwa ada perbedaan nyata jika kecil di seluruh alam semesta yang mungkin bermakna.

Mungkin menyenangkan mengetahui bahwa di alam semesta yang dinamis, bilangan kosmik khusus ini tetap stabil. Tetapi melihat perubahan yang lebih besar pada α di dekat lubang hitam supermasif galaksi kita bisa menjadi titik awal untuk fisika baru. Seperti yang dijelaskan Hees dalam wawancara email, tujuannya sekarang adalah untuk masuk lebih dalam ke bidang gravitasi lubang hitam. Dia berencana untuk melakukan pengukuran baru yang dioptimalkan pada tahun 2021 untuk “mengamati bintang yang lebih dekat ke lubang hitam dan karena itu mengalami potensi gravitasi yang lebih kuat … Tetapi dengan teknologi saat ini, tidak mudah untuk mendapatkan pengamatan spektral yang baik dari bintang yang sangat dekat. ke lubang hitam. ” Namun, dia yakin dia dapat mengurangi kesalahan pengukuran dengan faktor 10.

Pekerjaan Hadiah Nobel kelas dunia yang dilakukan oleh Ghez bergantung pada peningkatan besar dalam teknik observasi dan spektroskopi. Ini adalah taruhan yang baik bahwa perbaikan lebih lanjut yang dibangun pada proyek yang sukses ini akan meningkatkan penelitian di lubang hitam supermasif, arena unik untuk mempelajari perubahan yang sulit dipahami dalam α dan apa artinya bagi cara kita memahami alam semesta.

Sidney Perkowitz adalah Profesor Fisika Emeritus Charles Howard Candler, Universitas Emory. Buku terbarunya adalah Physics: A Very Short Introduction , dan Ilmuwan Sejati Tidak Memakai Dasi. Dia sedang bekerja Sketsa Sains.

Gambar utama: Ilustrasi ini menggambarkan aktivitas hiruk pikuk di lubang hitam supermasif di inti Bima Sakti, yang dikenal sebagai Sagitarius A *, atau Sgr A *. Kredit: ESA – C. Carreau / NASA

Read More

RELATED ARTICLES

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Most Popular

Recent Comments