[论文解读] Astrophysical constraints on hypothetical variability of fundamental constants

S. A. Levshakov|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2003

Geophysics and Gravity Measurements被引用 10

一句话总结

本论文利用改进的多重线（MM）方法，对类星体 HE 0515–4414 的甚大望远镜/紫外-可见光阶梯光栅摄谱仪（VLT/UVES）高分辨率数据以及 Q 0347–3818 方向的 H₂ 吸收线，重新评估了宇宙学尺度上基本常数的变异性。研究得到在红移 z = 1.149 处 Δα/α = (1.1 ± 1.1) × 10⁻⁵，在 z = 3.025 处 Δln μ = (2.1 ± 3.6) × 10⁻⁵，排除了 |ℛ| > 6 的大耦合因子值，并指出未来使用 HARPS 实现 10⁻⁶ 灵敏度测量需达到亚 0.2 mÅ 的波长精度。

ABSTRACT

(Abridged) Many-multiplet (MM) method applied to three inhomogeneous samples of Keck/HIRES quasar absorption spectra gives a shift in the value of the fine-structure constant of Delta alpha/alpha = (-5.4+/-1.2) 10^{-6} in the redshift range 0.2 < z < 3.7 (Murphy et al. 2003).The 1sigma error is, however, much too small and cannot be maintained by current observations of quasars. We present a modified MM method to set an upper limit on Delta alpha/alpha from a homogeneous sample of FeII lines identified in the up-to-date best quality VLT/UVES spectrum of HE 0515-4414. Our result is Delta alpha/alpha = (1.1+/-1.1) 10^{-5} at z = 1.149. Theoretical models of the fundamental physical interactions predict that the proton-to-electron mass ratio (mu = m_p/m_e) may relate to the shift in Delta alpha/alpha as Delta mu/mu = R Delta alpha/alpha. We use VLT/UVES high-resolution observations of molecular hydrogen H2 ultraviolet absorption lines at z = 3.025 toward Q 0347-3818 to bound the value of R. The obtained constraints on Delta ln mu = (2.1+/-3.6) 10^{-5} and on Delta ln alpha = (1.1+/-1.1) 10^{-5} rule out vary large values of |R| > 6.

研究动机与目标

• 重新评估先前基于凯克望远镜/高分辨率阶梯光栅摄谱仪（Keck/HIRES）数据报告的 Δα/α ≈ –5.4×10⁻⁶ 的可靠性，该结果依赖于有争议的误差估计。
• 开发一种改进的多重重线（MM）方法，通过使用一组均匀的孤立且未饱和的 Fe ii 线，提高统计稳健性。
• 通过分析红移 z = 3.025 处 Q 0347–3818 光谱中的 H₂ 紫外吸收线，约束质子-电子质量比 μ 的变异性。
• 通过比较不同红移下对 Δα/α 和 Δμ/μ 的约束，检验理论模型 Δμ/μ = ℛ Δα/α 的预测。
• 评估未来仪器（如 HARPS）实现 10⁻⁶ 级精度 Δα/α 测量的可行性。

提出的方法

• 将改进的多重重线（MM）方法应用于类星体 HE 0515–4414 在 z = 1.149 处的甚大望远镜/紫外-可见光阶梯光栅摄谱仪（VLT/UVES）光谱，使用一组均匀的孤立且未饱和的 Fe ii 线。
• 通过观测红移与理论灵敏度系数 K_i 之间的线性回归，推导出 Δα/α，以最小化因非均匀条件引起的系统误差。
• 分析 Q 0347–3818 光谱中 z = 3.025 处的 H₂ 分子线，利用转动能级（J=1,2,3）的红移，通过与 K_μ 的线性依赖关系估算 Δμ/μ。
• 由于速度位移不一致，将 J=3 线从回归分析中排除，得到 Δμ/μ = (2.1 ± 3.6) × 10⁻⁵，置信区间为 1σ。
• 利用宇宙学模型（Ω_M=0.3，Ω_Λ=0.7，H₀=72 km s⁻¹ Mpc⁻¹）将 Δμ/μ 转换为变化率 |ḋμ/μ| < 5×10⁻¹⁵ yr⁻¹。
• 评估 HARPS 光谱仪（λ/Δλ = 120,000）在未来实现 σ_λ ≈ 0.2 mÅ 的波长精度的潜力，从而实现 10⁻⁶ 级 Δα/α 测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前波长测量精度下，凯克望远镜/高分辨率阶梯光栅摄谱仪（Keck/HIRES）数据报告的 Δα/α = (–5.4 ± 1.2) × 10⁻⁶ 是否具有统计合理性？
• RQ2 通过使用一组均匀的孤立且未饱和的 Fe ii 线，改进的 MM 方法是否能降低系统误差？
• RQ3 在 z = 3.025 处，从 Q 0347–3818 光谱中高分辨率 H₂ 吸收线可对 Δμ/μ 施加何种约束？
• RQ4 在不同红移下测得的 Δα/α 和 Δμ/μ 值是否能排除 Δμ/μ = ℛ Δα/α 关系中 |ℛ| 的大值？
• RQ5 未来仪器（如 HARPS）能否实现实现 10⁻⁶ 级 Δα/α 测量所需的 0.2 mÅ 波长精度？

主要发现

• 将改进的 MM 方法应用于 VLT/UVES 光谱中 HE 0515–4414 的 Fe ii 线，得到在 z = 1.149 处 Δα/α = (1.1 ± 1.1) × 10⁻⁵，其不确定性与当前波长测量精度一致。
• 在 z = 3.025 处的 H₂ 线分析得到 Δln μ = (2.1 ± 3.6) × 10⁻⁵，1σ 置信区间为 –1.5×10⁻⁵ < Δμ/μ < 5.7×10⁻⁵。
• Δα/α = (1.1 ± 1.1) × 10⁻⁵ 与 Δμ/μ = (2.1 ± 3.6) × 10⁻⁵ 之间的一致性，排除了 |ℛ| > 6 的极大耦合因子值。
• H₂ 线中随 J 增加而出现的速度位移趋势表明可能存在系统效应，因此将 J=3 线从回归中排除。
• 实现 10⁻⁶ 级精度的 Δα/α 需要亚 0.2 mÅ 的波长精度，目前大型望远镜尚无法达到，但 HARPS 可实现。
• 本研究结论认为，未来 HARPS 观测可能在 10⁻⁶ 级提供对 Δα/α 的关键检验，从而实现对基本常数变异性更严格的检验。