Ключ к процессу астрономического моделирования, при помощи которого ученые пытаются понять, как устроена наша Вселенная, заключается во всестороннем изучении значений, на основании которых строятся данные модели. Такие значения обычно подвергаются измерению в лабораториях с исключительно высоким уровнем доверительной вероятности. Затем астрономы делают предположение, что эти постоянные действительно постоянны. Как правило, подобные предположения очень надежны, поскольку модели чаще всего воссоздают весьма точные картины явлений нашей Вселенной. Но чтобы быть абсолютно уверенными, астрономы предпочитают убедиться в том, что эти постоянные не меняются в пространстве и времени. Убедиться в этом, однако, не так просто. К счастью, если верить опубликованному недавно докладу, исследовать такие фундаментальные величины, как массу протонов и электронов (или, по крайней мере, их соотношение) можно, изучив относительно простую молекулу метанола.
Новый доклад основан на комплексном спектральном анализе молекулы метана. В простых атомах фотоны образуются за счет перехода электронов с одной орбитали на другую, поскольку для таких атомов просто не существует другого способа накапливать и передавать энергию. Но в молекулах химические связи между входящими в их состав атомами способны накапливать энергию в форме колебаний подобно тому, как вибрируют пружины с прикрепленными к ним грузами. Кроме того, у молекул отсутствует радиальная симметрия, и они могут накапливать энергию за счет вращения. По этой причине в спектре холодных звезд наблюдается гораздо большее количество линий поглощения, чем в спектре горячих звезд, так как более низкие температуры способствуют началу процесса формирования молекул.
Многие из этих спектральных характеристик присутствуют в микроволновом диапазоне спектра, и некоторые из них в значительной степени зависят от квантомеханического эффекта, который, в свою очередь, зависит от точной массы протона и электрона. Если массы протона и электрона изменяются, изменяется и положение некоторых спектральных линий. Сопоставляя эти отклонения с ожидаемым положением, астрономы получают уникальную возможность понять суть того, каким образом могут изменяться эти фундаментальные величины.
Основная сложность состоит в том, что в масштабах вселенной метанол (CH3OH) вещество редкое, поскольку она на 98 % состоит из водорода и гелия. Оставшиеся 2 % составляют все остальные элементы (среди которых преобладают кислород и углерод). Таким образом, в состав метанола входят три из четырех наиболее распространенных химических элементов, однако этим элементам еще необходимо «отыскать» друг друга, чтобы образовать ту самую молекулу. Ко всему прочему, они должны находиться в нужном диапазоне температур; слишком высокая температура – и молекула распадается; слишком низкая температура – и имеющегося количества энергии уже недостаточно, чтобы началось излучение света, и, следовательно, у нас нет возможности зафиксировать образование молекулы. С учетом малой распространенности молекул, удовлетворяющих этим условиям, несложно предположить, что их поиск в достаточном количестве, особенно в пределах галактики или вселенной, будет представлять определенную сложность.
К счастью, метанол является одним из немногих веществ, молекулы которого склонны к образованию космических мазеров. Мазер представляет собой микроволновый эквивалент лазера, в котором небольшая вспышка света способна вызвать так называемый каскадный эффект, заставляющий и другие молекулы, попавшие в зону вспышки, также излучать свет определенной частоты. Это значительно усиливает яркость облака, содержащего метанол, увеличивая расстояние, на котором его можно распознать.
Изучая метаноловые мазеры Млечного пути с использованием этой методики, авторы доклада обнаружили, что если соотношение массы электрона к массе протона и меняется, то меньше чем на три пункта из ста миллионов. Подобные исследования проводились также с молекулами аммиака (которые тоже способны образовывать мазеры) в качестве индикаторов. Результаты этих исследований оказались аналогичными.