NESSUN CAMBIAMENTO DA MILIARDI DI ANNI

Espresso misura la costante alfa con un quasar

Il nuovo spettrografo ad alta risoluzione del Vlt dell'Eso, Espresso, è stato utilizzato per misurare una costante fondamentale della fisica con la massima precisione possibile. I ricercatori, tra cui anche molti dell'Inaf, hanno pubblicato nuove misure della costante di struttura fine (o alfa) a partire da osservazioni della luce emessa da un quasar a 10 miliardi di anni luce, dalle quali non emerge alcuna variazione temporale. Tutti i dettagli su Astronomy & Astrophysics

     14/12/2021
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L’immagine mostra in modo semplificato come la luce raccolta dai quattro telescopi del Vlt viene combinata nello strumento Espresso, che si trova al di sotto della piattaforma del Vlt. Crediti: Eso/L. Calçada

Per la prima volta, il nuovo spettrografo dell’Eso Espresso è stato utilizzato per misurare con precisione una costante fondamentale della fisica: la costante di struttura fine o alfa. Quasi tutte le misurazioni precedenti sono state caratterizzate da errori causati dallo strumento utilizzato, mentre con Espresso i ricercatori – tra cui anche diversi dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) – hanno la possibilità di eliminare gli errori strumentali portando a casa misurazioni precise. I risultati, ottenuti a partire da osservazioni della luce emessa dal quasar HE 0515-4414, sono stati riportati in un articolo pubblicato su Astronomy & Astrophysics. «Misurando la forza elettromagnetica in una lontanissima nube di gas abbiamo trovato che l’elettromagnetismo aveva la stessa forza di 8,4 miliardi di anni fa», racconta Michael Murphy, primo autore dell’articolo e ricercatore presso la Swinburne University of Technology. La costante alfa non ha subito quindi alcun cambiamento ed Espresso è stato in grado di misurarlo in maniera affidabile.

La costante di struttura fine è la costante di accoppiamento dell’interazione elettromagnetica: il suo valore è pari a circa 1/137. I fisici che utilizzano gli orologi atomici detengono il record per la precisione della misura di alfa: con misure della durata di anni hanno trovato che alfa non varia di più di 1 parte su un quintilione ogni anno, ed è probabilmente la misura più precisa mai registrata nella fisica. Cosa vuol dire? Praticamente equivale a conoscere l’età dell’Universo con una precisione di pochi secondi. Ma cosa succede nel passato e lontano da noi lo si può stabilire solo con le misure astronomiche.

I telescopi Vlt dell’Eso in Cile e nel riquadro il quasar la cui luce è stata studiata con Espresso. Crediti: IAC (Instituto de Astrofísica de Canarias)

I numeri come l’alfa sono particolarmente importanti per la comprensione della natura, ma il perché abbiano i valori che hanno è un mistero. Nonostante i molteplici successi del Modello standard della fisica, i ricercatori non hanno alcuna spiegazione teorica per le quantità che chiamiamo “costanti fondamentali” né tantomeno possono prevedere il loro valore. Il compito dei fisici  e degli astronomi è quindi quello di verificare se sono, in effetti, veramente costanti. «Se scoprissimo che variano – continua Murphy – avremmo bisogno di una spiegazione per questo, e ciò richiederebbe una teoria della fisica completamente nuova e più fondamentale rispetto al “modello standard” che abbiamo attualmente. Sebbene la nostra nuova misurazione non trovi alcun cambiamento di questo tipo, abbiamo dimostrato che Espresso può effettuare misurazioni molto affidabili delle costanti fondamentali».

Altri spettrografi ad alta risoluzione hanno fornito centinaia di misurazioni della costante di struttura fine negli ultimi due decenni. Ciò che preoccupava i fisici, però, era il risultato: dai dati sembrava alfa variasse nel corso di miliardi di anni, e anche nel cielo, fino a 10 parti per milione. L’intoppo era proprio negli strumenti scelti per queste ricerche, non erano all’altezza del compito: stavano distorcendo gli spettri dei quasar osservati. Questo schiacciamento e allungamento degli spettri imitava ciò che ci aspetteremmo se la forza dell’elettromagnetismo cambiasse da un luogo all’altro, e di volta in volta, nell’Universo.

Alcuni dei ricercatori italiani coinvolti nella costruzione dello spettrografo (da sinistra Giorgio Calderone, Gaspare Lo Curto, valentina D’Odorico, Francesco Pepe (principal investigator di Espresso), Paolo Molaro (instrument scientist di Espresso)

«Abbiamo così concepito un nuovo tipo di spettrografo, appunto Espresso, ispirandoci ad Harps. Sono stati necessari 12 anni per la sua costruzione ma ora abbiamo la perfetta macchina per la misura di alfa», afferma Paolo Molaro, ricercatore dell’Inaf di Trieste e coordinatore del progetto di ricerca.

Espresso è un acronimo e sta per Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations. È uno spettrografo “super-stabile”, montato in una camera a vuoto in un laboratorio isolato e collocato sotto i 4 telescopi del Very Large Telescope (Vlt) dell’Eso in Cile. Lo spettro quasar protagonista dello studio è stato anche calibrato con il “Laser Comb” di Espresso, un dispositivo basato sulla frequenza laser che ci consente di conoscere la lunghezza d’onda della luce in qualsiasi punto dello spettro con una precisione elevatissima.

Il quasar 0515-4414 è stato scoperto negli anni ’90 ed è il quasar più brillante la cui linea di visuale intercetta una galassia. Ha un redshift di 1,71, il che vuol dire che la luce ha impiegato quasi 10  miliardi di anni per raggiungerci. La galassia intercettata (da cui si ricavano le misure riportate nell’articolo) ha invece un redshift di 1,1 che equivale a una distanza di 6 miliardi di anni luce.

«Come fisici, vogliamo scoprire qualcosa che non può essere spiegato con le attuali teorie. In definitiva, è così che impariamo qualcosa di nuovo», afferma Carlos Martins co-autore dell’articolo e ricercatore presso il Centro di Astrofísica dell’Università di Porto. «In questo caso, vogliamo scoprire se alfa varia davvero o meno. Se lo facesse, e possiamo dimostrarlo con Espresso, sarebbe un’enorme scoperta, qualcosa che rivoluzionerebbe il campo della fisica per i decenni a venire e forse guiderebbe la strada verso una teoria della fisica completamente nuova e più fondamentale, risolvendo forse il mistero dell’energia oscura».

«Quello che abbiamo mostrato con il nostro nuovo lavoro», conclude Murphy, «è che le nuove misure ora sono limitate dalla quantità di luce che possiamo raccogliere. Se per esempio raccogliessimo più luce con l’Elt, saremmo in grado di testare le variazioni di alfa in modo ancora più preciso di quanto abbiamo appena fatto con Espresso. Quindi, in un certo senso, la nostra nuova misurazione fornisce la rotta per Elt. Sebbene la nostra nuova misurazione non trovi alcun cambiamento di questo tipo, abbiamo dimostrato che Espresso può effettuare le misurazioni più affidabili delle costanti fondamentali: tale affidabilità è importante se vogliamo trovare e confermare una “costante variabile”».

Per saperne di più:

Sulla costante di struttura fine, guarda questa videoscheda Paolo Molaro: