Telescopios VLT de ESO, donde se encuentra ESPESSO y, superpuesto, el espectro medido a redshift z=1.15 en la dirección del cuásar HE0515-4414 utilizado para medir la constante de estructura fina. / Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC)

Muchos de los fenómenos físicos más básicos están determinados por una serie de “constantes fundamentales” cuyos valores conocemos experimentalmente con gran exactitud. Sin embargo, pesar de todo nuestro conocimiento sobre la naturaleza y el universo, incluso dentro del marco del modelo estándar de la Física, probablemente el modelo teórico más exitoso en la historia de la humanidad, no tenemos herramientas para predecir el valor exacto de estas constantes.

Tampoco sabemos de manera clara si son realmente “constantes universales”, es decir, si tienen el mismo valor en cualquier lugar del Universo y si han tenido el mismo valor en el pasado. Comprobar si son realmente constantes es una cuestión fundamental de la Física. Encontrar indicaciones de una posible variación (temporal o espacial) de alguna de estas constantes podría requerir el desarrollo de nuevos modelos o teorías que modifiquen o extiendan el modelo estándar actual.

Aunque es fácil determinar el valor de estas constantes con gran precisión en laboratorios terrestres, su medida en otros lugares del Universo suele requerir el uso de métodos de detección indirectos y la utilización de la instrumentación más avanzada. Esto es lo que se ha hecho en este trabajo publicado hoy en Astronomy & Astrophysics, utilizando datos del espectrógrafo ESPRESSO, instalado en los telescopios VLT de 8.2 metros de diámetro del Observatorio Austral Europeo (ESO) en Chile.

“Lo que hemos encontrado es que la fuerza electromagnética tenía el mismo valor hace ocho mil millones de años que en la actualidad”, afirma Michael Murphy, investigador de la Universidad de Swinburne (Australia) y autor principal de este artículo. “Para ello se ha determinado el valor de la denominada constante de estructura fina, denotada habitualmente como alfa, mediante la medida de transiciones espectrales en una nube a redshift z=1.15, es decir, situada tan lejos que los fotones involucrados en estas transiciones han tardado unos ocho mil millones de años en llegar hasta nosotros”, explica Ricardo Génova Santos, investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y coautor del artículo.

Medidas con otros espectrógrafos, también situados en los telescopios VLT, o en los telescopios Keck, ya habían proporcionado decenas, incluso centenares, de medidas de alfa, en este y otros sistemas, a lo largo de las dos últimas décadas. En algunos casos parecían indicar variaciones de alfa, en el tiempo o incluso en función de la posición en el cielo. Sin embargo, no pudo establecerse un consenso definitivo sobre la fiabilidad de estas medidas.

Existían dudas de si los espectrógrafos podrían tener efectos instrumentales que pudieran estar distorsionando los espectros medidos dando lugar a variaciones similares a las producidas como consecuencia de un valor diferente de alfa. “Entonces concebimos un nuevo tipo de espectrógrafo, ESPRESSO, con un mucho mejor control de estos efectos sistemáticos, de manera que después de doce años de construcción y un gran esfuerzo ahora tenemos el instrumento perfecto para realizar las más precisas medidas de alfa”, explica Rafael Rebolo, investigador principal de ESPRESSO en el IAC.

ESPRESSO, construido por un consorcio formado por el IAC, la Universidad de Ginebra, el Observatorio de Trieste y el Instituto de Astrofísica y Ciencias del Espacio de Oporto, es un espectrógrafo extremadamente estable, montado en una cámara de vacío debajo de los cuatro telescopios VLT. Los espectros medidos son calibrados utilizando una técnica novedosa, denominada laser frequency comb, dando lugar a una extraordinariamente precisa y estable calibración en longitud de onda. Esta es una de las principales características de este instrumento y lo que ha permitido esta medida de alfa.

Con una precisión mejor que una parte por millón, la medida obtenida es de manera clara la más exacta obtenida hasta ahora, superando incluso la precisión conjunta de todas las medidas anteriores, cuyos valores individuales se situaban en unas diez partes por millón. “Este asombroso nivel de detalle en la calibración en longitud de onda convierte a ESPRESSO en un instrumento también único para el estudio y la caracterización de exoplanetas mediante el método de velocidades radiales”, explica Jonay González, investigador del IAC y también coautor del artículo.

El diseño de ESPRESSO está inspirado en HARPS, situado en el telescopio de 3.6 m de ESO. De manera similar, el futuro espectrógrafo HIRES del Extremely Large Telescope (ELT) estará inspirado en ESPRESSO y se beneficiará de una mayor superficie colectora para poder seguir avanzando en estos estudios y obtener medidas o cotas sobre variaciones de alfa y de otras constantes fundamentales que, quizá, arrojen luz sobre fenómenos físicos aún desconocidos.

Referencia

M. T. Murphy et al: Fundamental physics with ESPRESSO: Precise limit on variations in the fine-structure constant towards the bright quasar HE 0515−4414. Astronomy & Astrophysics, diciembre de 2021. DOI: 10.1051/0004-6361/202142257