Bildnachweis: ESO
Das Erkennen oder Einschränken möglicher zeitlicher Variationen grundlegender physikalischer Konstanten ist ein wichtiger Schritt zum vollständigen Verständnis der Grundphysik und damit der Welt, in der wir leben. Ein Schritt, in dem sich die Astrophysik als am nützlichsten erweist.
Frühere astronomische Messungen der Feinstrukturkonstante - der dimensionslosen Zahl, die die Stärke der Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen und elektromagnetischen Feldern bestimmt - deuteten darauf hin, dass diese bestimmte Konstante mit der Zeit nur geringfügig zunimmt. Wenn dies bestätigt würde, hätte dies sehr tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der Grundlagenphysik.
Neue Studien, die mit dem UVES-Spektrographen an Kueyen, einem der 8,2-m-Teleskope des Very Large Telescope-Arrays der ESO in Paranal (Chile), durchgeführt wurden, sicherten neue Daten mit beispielloser Qualität. Diese Daten haben in Kombination mit einer sehr sorgfältigen Analyse die bislang stärksten astronomischen Einschränkungen hinsichtlich der möglichen Variation der Feinstrukturkonstante ergeben. Sie zeigen, dass entgegen früheren Behauptungen keine Beweise für die Annahme einer zeitlichen Variation dieser Grundkonstante vorliegen.
Eine feine Konstante
Um das Universum zu erklären und mathematisch darzustellen, stützen sich Wissenschaftler auf sogenannte Grundkonstanten oder feste Zahlen. Die Grundgesetze der Physik, wie wir sie gegenwärtig verstehen, hängen von ungefähr 25 solchen Konstanten ab. Bekannte Beispiele sind die Gravitationskonstante, die die Stärke der zwischen zwei Körpern wie Erde und Mond wirkenden Kraft sowie die Lichtgeschwindigkeit definiert.
Eine dieser Konstanten ist die sogenannte "Feinstrukturkonstante", alpha = 1 / 137.03599958, eine Kombination aus elektrischer Ladung des Elektrons, Planck-Konstante und Lichtgeschwindigkeit. Die Feinstrukturkonstante beschreibt, wie elektromagnetische Kräfte Atome zusammenhalten und wie Licht mit Atomen interagiert.
Aber sind diese grundlegenden physikalischen Konstanten wirklich konstant? Sind diese Zahlen immer gleich, überall im Universum und zu jeder Zeit? Dies ist keine so naive Frage, wie es scheinen mag. Zeitgenössische Theorien grundlegender Wechselwirkungen wie die Grand Unification Theory oder Super-String-Theorien, die die Gravitations- und Quantenmechanik konsistent behandeln, sagen nicht nur eine Abhängigkeit grundlegender physikalischer Konstanten von Energie voraus - Experimente in der Teilchenphysik haben gezeigt, dass die Feinstrukturkonstante zu bei hohen Kollisionsenergien auf einen Wert von etwa 1/128 wachsen - aber ihre kosmologischen zeitlichen und räumlichen Variationen berücksichtigen. Eine zeitliche Abhängigkeit der Grundkonstanten könnte auch leicht entstehen, wenn neben den drei Raumdimensionen mehr verborgene Dimensionen existieren.
Bereits 1955 erwog der russische Physiker Lev Landau die Möglichkeit einer zeitlichen Abhängigkeit von Alpha. In den späten 1960er Jahren schlug George Gamow in den USA vor, dass die Ladung des Elektrons und damit auch des Alphas variieren könnte. Es ist jedoch klar, dass solche Änderungen, falls vorhanden, nicht groß sein können oder bereits in vergleichsweise einfachen Experimenten festgestellt worden wären. Die Verfolgung dieser möglichen Änderungen erfordert daher die ausgefeiltesten und präzisesten Techniken.
Rückblick in die Zeit
Tatsächlich sind bereits ziemlich starke Einschränkungen für die mögliche Variation der Feinstrukturkonstante alpha bekannt. Eine solche Einschränkung ist geologischer Natur. Es basiert auf Maßnahmen, die im alten natürlichen Spaltreaktor in der Nähe von Oklo (Gabun, Westafrika) ergriffen wurden und vor etwa 2.000 Millionen Jahren aktiv waren. Indem man die Verteilung eines bestimmten Satzes von Elementen untersucht - Isotope der Seltenen Erden, zum Beispiel des Samariums -, die durch die Spaltung von Uran erzeugt wurden, kann man abschätzen, ob der physikalische Prozess schneller oder langsamer ablief, als wir es erwarten würden heutzutage. Somit können wir eine mögliche Änderung des Wertes der hier spielenden Grundkonstante Alpha messen. Die beobachtete Verteilung der Elemente stimmt jedoch mit Berechnungen überein, bei denen angenommen wurde, dass der Wert von Alpha zu diesem Zeitpunkt genau dem heutigen Wert entsprach. In den 2 Milliarden Jahren muss die Veränderung des Alphas daher kleiner sein als etwa 2 Teile pro 100 Millionen. Wenn überhaupt vorhanden, ist dies in der Tat eine eher kleine Änderung.
Aber was ist mit Veränderungen viel früher in der Geschichte des Universums?
Um dies zu messen, müssen wir Mittel finden, um noch weiter in die Vergangenheit zu gehen. Und hier kann die Astronomie helfen. Denn obwohl Astronomen im Allgemeinen keine Experimente durchführen können, ist das Universum selbst ein riesiges Labor für Atomphysik. Durch die Untersuchung sehr entfernter Objekte können Astronomen über einen langen Zeitraum zurückblicken. Auf diese Weise wird es möglich, die Werte der physikalischen Konstanten zu testen, wenn das Universum nur 25% seines gegenwärtigen Alters hatte, dh vor etwa 10.000 Millionen Jahren.
Sehr weit Leuchtfeuer
Astronomen verlassen sich dazu auf die Spektroskopie - die Messung der Eigenschaften von Licht, das von Materie emittiert oder absorbiert wird. Wenn das Licht einer Flamme durch ein Prisma beobachtet wird, ist ein Regenbogen sichtbar. Wenn Salz auf die Flamme gestreut wird, überlagern die üblichen Farben des Regenbogens, sogenannte Emissionslinien, deutliche gelbe Linien. Wenn man eine Gaszelle zwischen Flamme und Prisma setzt, sieht man jedoch dunkle Linien auf dem Regenbogen: Dies sind Absorptionslinien. Die Wellenlänge dieser Emissions- und Absorptionsspektrenlinien steht in direktem Zusammenhang mit den Energieniveaus der Atome im Salz oder im Gas. Die Spektroskopie ermöglicht es uns daher, die Atomstruktur zu untersuchen.
Die Feinstruktur von Atomen kann spektroskopisch als Aufspaltung bestimmter Energieniveaus in diesen Atomen beobachtet werden. Wenn sich Alpha im Laufe der Zeit ändern würde, würden sich auch die Emissions- und Absorptionsspektren dieser Atome ändern. Eine Möglichkeit, nach Änderungen des Alpha-Werts im Laufe der Geschichte des Universums zu suchen, besteht daher darin, die Spektren entfernter Quasare zu messen und die Wellenlängen bestimmter Spektrallinien mit den heutigen Werten zu vergleichen.
Quasare werden hier nur als Leuchtfeuer - die Flamme - im sehr fernen Universum verwendet. Interstellare Gaswolken in Galaxien, die sich zwischen den Quasaren und uns auf derselben Sichtlinie befinden und sich in Entfernungen zwischen sechs und elftausend Millionen Lichtjahren befinden, absorbieren Teile des von den Quasaren emittierten Lichts. Das resultierende Spektrum zeigt folglich dunkle „Täler“, die bekannten Elementen zugeordnet werden können.
Wenn sich die Feinstrukturkonstante über die Dauer der Lichtreise ändert, werden die Energieniveaus in den Atomen beeinflusst und die Wellenlängen der Absorptionslinien um unterschiedliche Beträge verschoben. Durch Vergleich der relativen Lücken zwischen den Tälern mit den Laborwerten ist es möglich, Alpha als Funktion der Entfernung von uns, dh als Funktion des Alters des Universums, zu berechnen.
Diese Maßnahmen sind jedoch äußerst heikel und erfordern eine sehr gute Modellierung der Absorptionslinien. Sie stellen auch außerordentlich hohe Anforderungen an die Qualität der astronomischen Spektren. Sie müssen eine ausreichende Auflösung haben, um winzige Verschiebungen in den Spektren sehr genau messen zu können. Und eine ausreichende Anzahl von Photonen muss eingefangen werden, um ein statistisch eindeutiges Ergebnis zu erzielen.
Dazu müssen sich Astronomen den fortschrittlichsten Spektralinstrumenten der größten Teleskope zuwenden. Hier sind der UV- und der sichtbare Echelle-Spektrograph (UVES) und das 8,2-m-Teleskop Kueyen von ESO am Paranal-Observatorium dank der unvergleichlichen spektralen Qualität und der großen Sammelspiegelfläche dieser Kombination unschlagbar.
Konstant oder nicht?
Ein Team von Astronomen [1] unter der Leitung von Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de Paris und Observatoire de Paris, Frankreich) und Raghunathan Srianand (IUCAA Pune, Indien) untersuchte sehr sorgfältig eine homogene Probe von 50 Absorptionssystemen, die mit UVES und Kueyen beobachtet wurden entlang 18 entfernter Quasar-Sichtlinien. Sie zeichneten die Spektren von Quasaren über insgesamt 34 Nächte auf, um die höchstmögliche spektrale Auflösung und das beste Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Ausgefeilte automatische Verfahren, die speziell für dieses Programm entwickelt wurden, wurden angewendet.
Darüber hinaus verwendeten die Astronomen umfangreiche Simulationen, um zu zeigen, dass sie die Linienprofile korrekt modellieren können, um eine mögliche Variation von Alpha wiederherzustellen.
Das Ergebnis dieser umfangreichen Studie ist, dass in den letzten 10.000 Millionen Jahren die relative Variation von Alpha weniger als 0,6 Teile pro Million betragen muss. Dies ist die bislang stärkste Einschränkung aus Studien zu Quasar-Absorptionslinien. Noch wichtiger ist, dass dieses neue Ergebnis frühere Behauptungen einer statistisch signifikanten Änderung des Alphas mit der Zeit nicht stützt.
Interessanterweise wird dieses Ergebnis durch eine weitere - weniger umfangreiche - Analyse gestützt, die ebenfalls mit dem UVES-Spektrometer am VLT durchgeführt wurde [2]. Obwohl sich diese Beobachtungen nur auf einen der hellsten bekannten Quasare HE 0515-4414 bezogen, stützt diese unabhängige Studie die Hypothese, dass kein Alpha variiert.
Obwohl diese neuen Ergebnisse eine signifikante Verbesserung unseres Wissens über die mögliche (Nicht-) Variation einer der grundlegenden physikalischen Konstanten darstellen, würde der vorliegende Datensatz im Prinzip immer noch Variationen zulassen, die im Vergleich zu den aus den Messungen resultierenden vergleichsweise groß sind aus dem natürlichen Reaktor Oklo. Dennoch werden weitere Fortschritte auf diesem Gebiet mit dem neuen sehr hochgenauen Radialgeschwindigkeitsspektrometer HARPS am 3,6-m-Teleskop der ESO am La Silla Observatory (Chile) erwartet. Dieser Spektrograph arbeitet an der Grenze der modernen Technologie und wird hauptsächlich zur Erkennung neuer Planeten um andere Sterne als die Sonne verwendet. Er kann eine Verbesserung um eine Größenordnung bei der Bestimmung der Variation von Alpha bewirken.
Andere fundamentale Konstanten können mit Quasaren untersucht werden. Insbesondere durch Untersuchung der Wellenlängen von molekularem Wasserstoff im fernen Universum kann man die Variationen des Verhältnisses zwischen den Massen des Protons und des Elektrons untersuchen. Das gleiche Team führt derzeit eine so große Umfrage mit dem Very Large Telescope durch, die zu beispiellosen Einschränkungen dieses Verhältnisses führen sollte.
Originalquelle: ESO-Pressemitteilung
