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Estudiamos el sol distante en la prueba astronómica de electromagnetismo más precisa hasta la fecha

Hay un problema vergonzoso e inquietante con nuestra comprensión de las leyes de la naturaleza que los físicos han estado tratando de explicar durante décadas. Se trata del electromagnetismo, la ley de cómo interactúan los átomos y la luz, que explica todo, desde por qué no te caes al suelo hasta por qué el cielo es azul.

Nuestra teoría del electromagnetismo es posiblemente la mejor teoría física que el hombre haya hecho jamás, pero no tiene respuesta de por qué el electromagnetismo es tan fuerte como lo es. Solo los experimentos pueden decirte la fuerza del electromagnetismo, que se mide con un número llamado α (también conocido como alfa, o constante de microestructura).

El físico estadounidense Richard Feynman, quien ayudó a desarrollar la teoría, Se llama «Uno de los mayores malditos misterios de la física», instó a los físicos a «poner ese número en la pared y preocuparse por él».

en Investigación recién publicada en Science, decidimos probar si α es el mismo en diferentes lugares dentro de nuestra galaxia estudiando estrellas que son gemelas casi idénticas de nuestro Sol. Si α es diferente en diferentes lugares, podría ayudarnos a encontrar la teoría definitiva, no solo del electromagnetismo, sino de todas las leyes de la naturaleza juntas: la «teoría del todo».

Queremos romper nuestra teoría favorita

Los físicos realmente quieren una cosa: una situación en la que nuestra comprensión actual de la física se derrumbe. Nueva física. Una señal que no puede ser explicada por las teorías actuales. Extraordinaria teoría del todo.

Para encontrarlo, pueden esperar En lo profundo de la tierra en una mina de oro Las partículas de materia oscura chocan con un cristal especial. O tal vez Cuida los mejores relojes atómicos del mundo Durante años a ver si nos dice un tiempo un poco diferente. O aplastar protones a la velocidad de la luz (aproximadamente) en el anillo de 27 km Gran Colisionador de Hadrones.

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El problema es que es difícil saber dónde buscar. Nuestras teorías actuales no pueden guiarnos.

Por supuesto, estamos investigando en laboratorios en la Tierra, donde es más fácil investigar de manera exhaustiva y precisa. Pero esto es algo similar a un archivo Borracho solo busca sus llaves perdidas debajo de la farola Aunque en realidad podría haberlos perdido al otro lado de la carretera, en algún rincón oscuro.

Arco iris del sol: aquí la luz del sol se dispersa en filas separadas, cada una de las cuales cubre solo una pequeña gama de colores, para revelar las muchas rayas oscuras de absorción de los átomos en la atmósfera del sol.
NA Sharp/KPNO/NOIRLab/NSO/NSF/AURAY el CC POR

Las estrellas son impresionantes, pero a veces son terriblemente similares.

Decidimos mirar más allá de la Tierra, más allá de nuestro propio sistema solar, para ver si las estrellas que son gemelas casi idénticas de nuestro Sol producen los mismos colores del arco iris. Los átomos en la atmósfera de las estrellas absorben parte de la luz que sale de los hornos nucleares en sus núcleos.

Solo se absorben ciertos colores, dejando rayas oscuras en el arcoíris. Esos colores absorbidos están determinados por α, por lo que medir las líneas oscuras con mucho cuidado también nos permite medir α.

Una imagen de primer plano que muestra burbujas en la atmósfera del sol.

Los gases más calientes y más fríos que fluyen a través de las turbulentas atmósferas de las estrellas dificultan la comparación de las líneas de absorción en las estrellas con las observadas en los experimentos de laboratorio.
NSO/AURA/NSFY el CC POR

El problema es que las atmósferas de las estrellas se mueven (hirviendo, girando, girando, eructando) y eso cambia las líneas. Los cambios arruinan cualquier comparación con las mismas líneas en los laboratorios de la Tierra y, por lo tanto, cualquier posibilidad de medir α. Las estrellas parecen ser lugares horribles para probar el electromagnetismo.

Pero nos preguntamos: si encuentra estrellas muy similares, gemelas entre sí, tal vez sus colores oscuros y absorbentes también sean similares. Entonces, en lugar de comparar estrellas con laboratorios en la Tierra, hemos estado comparando a los gemelos de nuestro Sol entre sí.

Nueva prueba con gemelos solares

Nuestro equipo de estudiantes, posdoctorados e investigadores sénior de la Universidad Tecnológica de Swinburne y la Universidad de Nueva Gales del Sur midieron el espacio entre pares de líneas de absorción en nuestro Sol y 16 «gemelos solares», estrellas casi indistinguibles de nuestro Sol.

Se han observado arcoíris de estas estrellas en Telescopio del Observatorio Europeo Austral (ESO) de 3,6 metros de largo en Chile. Aunque no es el telescopio más grande del mundo, la luz que recoge probablemente se introduce en el espectrómetro mejor controlado y comprendido: ARPAS. Esto separa la luz en sus colores, revelando el patrón detallado de las líneas oscuras.



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HARPS pasa la mayor parte de su tiempo observando estrellas similares al sol en busca de planetas. De hecho, esto proporcionó un tesoro de exactamente los datos que necesitábamos.

Imagen de larga exposición que muestra estrellas siguiendo círculos en el cielo nocturno detrás de la silueta de un telescopio abovedado en una ladera.

El telescopio de 3,6 metros de ESO en Chile pasa gran parte de su tiempo observando estrellas similares al Sol para buscar planetas con su espectrómetro de extrema precisión, HARPS.
Iztok Boncina / ESOY el CC POR

A partir de estos notables espectros, demostramos que α era el mismo en los diecisiete gemelos solares con una precisión asombrosa: solo 50 partes por billón. Esto es como comparar tu altura con la circunferencia de la Tierra. Es la prueba astronómica más precisa jamás realizada para α.

Desafortunadamente, nuestras nuevas medidas no rompieron nuestra teoría favorita. Pero las estrellas que estudiamos están relativamente cerca, a solo 160 años luz de distancia.

¿Que sigue?

Recientemente identificamos nuevos gemelos solares mucho más lejos, aproximadamente a la mitad del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

En esta región, debería haber una concentración mucho mayor de materia oscura, una sustancia escurridiza que los astrónomos creen que acecha por toda la galaxia y más allá. Al igual que α, sabemos poco sobre la materia oscura y Algunos físicos teóricos Sugiere que las partes internas de nuestra galaxia pueden ser solo un rincón oscuro en el que deberíamos buscar vínculos entre estos dos «temibles rompecabezas de la física».

Si podemos observar estos soles distantes con los telescopios ópticos más grandes, podemos encontrar las claves del universo.



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