Enquêter sur les changements dans la constante de structure fine

Les scientifiques s'intéressent à une constante fondamentale de la nature connue sous le nom de Constante de structure fine. Cette constante est importante car elle aide à expliquer comment les particules interagissent à travers la force électromagnétique. Les chercheurs veulent savoir si cette constante change au fil du temps ou varie dans différentes parties de l'univers.

Pour enquêter, les chercheurs ont utilisé des données d'un sondage appelé l'instrument spectroscopique d'énergie noire (DESI), qui étudie de nombreuses galaxies. L'accent a été mis sur les galaxies qui émettent une lumière forte dans des zones spécifiques, connues sous le nom de Lignes d'émission, en particulier les lignes d'oxygène. L'objectif était de mesurer d'éventuels changements dans la constante de structure fine à travers différentes distances dans l'univers et au fil du temps.

#Contexte sur la constante de structure fine

La constante de structure fine est représentée par le symbole α (alpha) et est un nombre sans dimension. Elle joue un rôle clé dans l'interaction électromagnétique, qui est l'une des quatre forces fondamentales de la nature. En termes simples, elle nous dit à quel point les particules chargées interagissent entre elles par le biais de l'électricité et du magnétisme. Sa valeur est généralement considérée comme constante, mais certaines théories suggèrent qu'elle pourrait changer.

Au fil des décennies, les scientifiques ont mené diverses expériences et observations pour vérifier s'il y avait des variations dans cette constante. La plupart de ces études se concentrent sur des objets lointains comme les quasars, qui sont extrêmement brillants et peuvent être utilisés pour étudier les lignes d'absorption de la lumière provenant des nuages de gaz intermédiaires. Récemment, il y a eu un intérêt pour l'utilisation des lignes d'émission des galaxies à la place, principalement parce que cette méthode peut fournir des données plus claires.

#Pourquoi utiliser les lignes d'émission ?

Les lignes d'émission sont des motifs de lumière émis par des atomes dans les galaxies. Elles peuvent être plus faciles à observer que les lignes d'absorption, qui peuvent être affectées par divers facteurs comme le mouvement du gaz. Les lignes d'émission, en particulier celles de l'oxygène, sont claires et fortes dans de nombreuses galaxies, ce qui les rend excellentes pour étudier la constante de structure fine.

Dans cette recherche, les lignes d'émission d'oxygène [O3] 4959 et 5007 ont été choisies en raison de leur large séparation en longueurs d'onde. Cette séparation permet une meilleure détection de toute variation potentielle de la constante de structure fine, car tout changement se manifestera plus distinctement.

#Le sondage DESI

Le sondage DESI est un grand projet conçu pour cartographier la structure de l'univers en observant un nombre vaste de galaxies. Il vise à rassembler des données sur l'expansion de l'univers et sur la manière dont les galaxies interagissent avec l'énergie noire. L'une des caractéristiques clés de DESI est sa capacité à collecter des spectres de milliers de galaxies à la fois.

En utilisant DESI, les chercheurs ont sélectionné un échantillon de galaxies à lignes d'émission avec des lignes [O3] fortes. Ils se sont concentrés sur des galaxies à différentes distances (Redshifts) pour voir si la constante de structure fine change avec le temps cosmique. Les galaxies observées couvrent à peu près la moitié de l'histoire de l'univers.

#Méthodologie

Les chercheurs ont regroupé leur échantillon de galaxies en différentes catégories de redshift pour les analyser plus efficacement. Chaque bin couvre une partie de l'histoire de l'univers, permettant aux chercheurs d'observer des variations dans la constante de structure fine au fil du temps.

Les principales étapes de la méthodologie comprenaient :

1. Sélection de l'échantillon : Les chercheurs ont sélectionné des galaxies avec des lignes [O3] fortes et étroites à partir du catalogue DESI. Ils se sont concentrés sur la qualité des lignes d'émission pour garantir des mesures précises.

2. Calibration des longueurs d'onde : Pour mesurer avec précision d'éventuels changements dans la constante de structure fine, une calibration précise des longueurs d'onde était essentielle. Les chercheurs ont utilisé des lignes de ciel - lumières de l'atmosphère terrestre - pour affiner les mesures des lignes [O3].

3. Analyse des données : Les chercheurs ont mesuré la séparation des lignes doubles [O3] pour calculer la variation relative de la constante de structure fine. Ils ont utilisé des méthodes statistiques pour s'assurer que leurs résultats étaient fiables.

#Résultats : Variation temporelle de la constante de structure fine

Après avoir analysé les données des galaxies à différents redshifts, les chercheurs ont trouvé une variation apparente de la constante de structure fine. Dans certains bins de redshift, les valeurs étaient inférieures à celles attendues.

Cependant, ils ont noté que cette variation pourrait être due à des erreurs systématiques liées à la calibration des longueurs d'onde plutôt qu'à un véritable changement dans la constante elle-même. La calibration des longueurs d'onde est cruciale, car de petites erreurs peuvent entraîner des malentendus significatifs des résultats.

Les chercheurs ont également comparé leurs résultats avec des études précédentes, notamment celles axées sur les quasars. Ils ont confirmé que toute variation trouvée dans leurs mesures pourrait probablement être expliquée par des erreurs systématiques plutôt que par de réels changements de la constante de structure fine au fil du temps.

#Résultats : Variation spatiale de la constante de structure fine

En plus de regarder les variations temporelles, les chercheurs ont examiné les variations spatiales de la constante de structure fine. Ils ont exploré s'il y avait des différences notables dans la constante en fonction de la position de la galaxie dans l'univers.

En divisant l'échantillon de galaxies en plus petites régions selon des emplacements dans le ciel, ils ont constaté que la constante de structure fine ne montrait pas de structures ou de tendances claires à grande échelle dans l'espace. Les variations semblaient aléatoires, sans motif apparent, suggérant que la constante pourrait être cohérente à travers différentes régions de l'univers.

#Discussion

Les résultats ont soulevé des questions sur la validité des mesures et des théories précédentes concernant la constante de structure fine. Bien qu'il soit souvent supposé qu'elle est immuable, ces résultats indiquent que des erreurs systématiques peuvent compliquer la compréhension.

Les chercheurs ont souligné l'importance de la calibration de longueurs d'onde dans les études futures. Même des inexactitudes mineures peuvent conduire à des conclusions trompeuses, donc l'amélioration des méthodes de calibration sera cruciale pour des mesures plus précises. À mesure que le sondage DESI se poursuit, on s'attend à ce que d'autres données affinent les résultats existants et fournissent potentiellement des contraintes plus fortes sur la variation de la constante de structure fine.

#Directions futures

Les chercheurs prévoient plusieurs améliorations et étapes futures pour mieux comprendre la constante de structure fine :

1. Meilleure calibration des longueurs d'onde : Travailler avec le pipeline DESI pour améliorer la calibration des longueurs d'onde est essentiel. Cela impliquera de peaufiner comment les lignes de ciel sont utilisées dans les mesures.

2. Concentration sur les galaxies à redshift élevé : Analyser des galaxies à redshift élevé, où moins de problèmes systématiques sont attendus, offrira de nouvelles perspectives sur la constante de structure fine.

3. Explorer les galaxies plus faibles : Inclure des galaxies plus faibles, qui sont plus nombreuses, pourrait aider à constituer un ensemble de données plus important, améliorant ainsi la signification statistique des résultats.

4. Utiliser différentes lignes d'émission : Les études futures prendront en compte d'autres lignes d'émission, comme les lignes [Ne3], pour élargir la recherche au-delà des lignes [O3] et potentiellement révéler plus d'informations sur la constante de structure fine.

#Conclusion

Les scientifiques continuent d'explorer la constante de structure fine pour déterminer si elle change au fil du temps ou varie dans l'espace. Bien que les premières conclusions suggèrent quelques changements, les chercheurs pensent que ceux-ci peuvent être dus à des erreurs de mesure plutôt qu'à de vraies variations. Le sondage DESI fournit un outil puissant pour étudier de telles questions fondamentales, et les améliorations continues des techniques et de la collecte de données approfondiront notre compréhension des constantes qui régissent l'univers.