News: Eine feine Konstante
Seit einigen Jahren schicken sich ein paar verwegene Astronomen aus Down Under an, das Weltbild von Physikern gründlich durcheinander zu werfen. Eine feste Größe der Natur, die Feinstrukturkonstante, soll gar nicht so unveränderlich sein, wie ihr Name suggeriert. Doch nun gibt es Rückendeckung für den bewährten Festwert.
© (Ausschnitt)
Naturkonstanten bilden das Fundament der Physik. Scharen sich doch rund um diese festen Größen all die Gesetze, die unsere Welt beschreiben und die ohne ein wenig Beständigkeit im Prinzip beliebig wären. So führt man etwa das Meter längst nicht mehr auf ein verstaubtes Urmaß zurück, sondern auf die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum – eine der vielleicht bekanntesten Naturkonstanten. Andere sind beispielsweise die Elementarladung, die Gravitationskonstante, die Avogardozahl oder das Planck'sche Wirkungsquantum.
Weit weniger bekannt dürfte die Feinstrukturkonstante sein – eine dimensionslose Größe, die sich selbst aus einigen Naturkonstanten ableitet und beschreibt, wie die elektromagnetischen Kräfte Atome zusammenhalten und wie Licht mit diesen wechselwirkt. Doch sind diese und andere fundamentalen Konstanten tatsächlich so beständig, wie ihr Name uns Glauben machen will?
Einige Theorien der Physik lassen hier durchaus etwas Spielraum, und die Idee von Veränderlichkeit ist nicht neu. So erwog bereits der russische Physiker Lew Landau die Möglichkeit einer zeitabhängigen Feinstrukturkonstante, die gewöhnlich mit dem griechischen Buchstaben Alpha abgekürzt wird. Und tatsächlich: Während auf irdische Zeitmaßstäbe bezogen sich in den letzten zwei Milliarden Jahren im Rahmen der Messgenauigkeit nichts an Alpha verändert hat – zumindest deuten die Uran-Gehalte einer afrikanischen Lagerstätte im Staat Gabun nicht darauf hin –, geben die Spektren ferner Quasare aus der Frühezeit des Universums Hinweise auf eine solche Veränderung.
Astronomen der University of New South Wales hatten die Absorptionslinien dieser alten Leuchtfeuer untersucht und aus der Verschiebung der charakteristischen Linien, die sich wie die Fingerabdrücke von Elementen lesen lassen, auf eine Veränderung von Alpha geschlossen. Das Problem ist jedoch, dass diese Messungen extrem empfindlich sind und eine sehr gute Modellierung der Absorptionslinien voraussetzen – ganz zu schweigen von den enormen Anforderungen an die Optik, mit der diese Spektren aufzuzeichnen sind. Kein Wunder also, dass Kollegen die australischen Ergebnisse mit Skepsis aufnahmen, wenngleich die Forscher zwei Jahre später mit neuen noch umfangreicheren Resultaten aufwarten konnten, die ebenfalls die zeitliche Veränderlichkeit von Alpha nahe legten.
So schien es wohl an der Zeit, dass auch Kollegen mit anderem Gerät nach der Linienverschiebung Ausschau hielten [1]. Mit dem Ultra-violet and Visible Echelle Spectrograph (UVES) und dem 8,2-Meter-Kueyen-Teleskop des Paranal Observatory stand den Forschern um Patrick Petitjean und Raghunathan Srianand dafür das richtige Werkzeug zur Verfügung. Und so nahmen die Astronomen in 34 Nächten die Spektren von 18 fernen Quasaren auf und studierten die Absorptionslinien von 50 Objekten auf der Sichtlinie zu den hell leuchtenden Himmelsobjekten. Zusätzlich nutzten die Forscher umfangreiche Simulationen, um das Linienprofil so genau wie möglich zu modellieren und etwaige Veränderung Alphas nachzuweisen.
Das Resultat der aufwändigen Arbeit: In den letzten zehn Milliarden Jahren kann sich eine relative Veränderung Alphas nur auf maximal 0,6·10-6 belaufen – eine kaum vorstellbare Winzigkeit. Bessere Messgenauigkeit für Alpha hat es bei astronomischen Messungen bisher noch nicht angeben. Eine signifikante Vergrößerung der Feinstrukturkonstante im Laufe der Jahrmilliarden, wie sie die australischen Ergebnisse nahe legen, ist jedenfalls aus den neuen Daten nicht herauszulesen. Auch weitere Untersuchungen mit dem UVES von einer anderen Astronomengruppe stützen die neuen Ergebnisse – wenngleich diese nur an einem sehr hellen Quasar, HE 0515-4414, entstanden [2].
Das australische Team ist von den neuen Messungen jedoch noch nicht überzeugt. Schließlich sei bei der Analyse der neuen Daten nur ein Teil der Absorptionslinien berücksichtigt worden: nur die einfachen, aus lediglich einer Komponente bestehenden. Das, so meint Michael Murphy, könne zu einem unrealistisch kleinen Fehler führen. Vielleicht lässt sich ja bald mit dem hochgenauen Spektrometer HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) des La Silla Observatory – ein Gerät, das eigentlich der Suche nach extrasolaren Planeten dient – eine genaue Aussage treffen, ob und wie stark sich die Feinstrukturkonstante in der Geschichte des Universums verändert hat. Bis dahin bleiben diese Fragen wohl offen.
Weit weniger bekannt dürfte die Feinstrukturkonstante sein – eine dimensionslose Größe, die sich selbst aus einigen Naturkonstanten ableitet und beschreibt, wie die elektromagnetischen Kräfte Atome zusammenhalten und wie Licht mit diesen wechselwirkt. Doch sind diese und andere fundamentalen Konstanten tatsächlich so beständig, wie ihr Name uns Glauben machen will?
Einige Theorien der Physik lassen hier durchaus etwas Spielraum, und die Idee von Veränderlichkeit ist nicht neu. So erwog bereits der russische Physiker Lew Landau die Möglichkeit einer zeitabhängigen Feinstrukturkonstante, die gewöhnlich mit dem griechischen Buchstaben Alpha abgekürzt wird. Und tatsächlich: Während auf irdische Zeitmaßstäbe bezogen sich in den letzten zwei Milliarden Jahren im Rahmen der Messgenauigkeit nichts an Alpha verändert hat – zumindest deuten die Uran-Gehalte einer afrikanischen Lagerstätte im Staat Gabun nicht darauf hin –, geben die Spektren ferner Quasare aus der Frühezeit des Universums Hinweise auf eine solche Veränderung.
Astronomen der University of New South Wales hatten die Absorptionslinien dieser alten Leuchtfeuer untersucht und aus der Verschiebung der charakteristischen Linien, die sich wie die Fingerabdrücke von Elementen lesen lassen, auf eine Veränderung von Alpha geschlossen. Das Problem ist jedoch, dass diese Messungen extrem empfindlich sind und eine sehr gute Modellierung der Absorptionslinien voraussetzen – ganz zu schweigen von den enormen Anforderungen an die Optik, mit der diese Spektren aufzuzeichnen sind. Kein Wunder also, dass Kollegen die australischen Ergebnisse mit Skepsis aufnahmen, wenngleich die Forscher zwei Jahre später mit neuen noch umfangreicheren Resultaten aufwarten konnten, die ebenfalls die zeitliche Veränderlichkeit von Alpha nahe legten.
So schien es wohl an der Zeit, dass auch Kollegen mit anderem Gerät nach der Linienverschiebung Ausschau hielten [1]. Mit dem Ultra-violet and Visible Echelle Spectrograph (UVES) und dem 8,2-Meter-Kueyen-Teleskop des Paranal Observatory stand den Forschern um Patrick Petitjean und Raghunathan Srianand dafür das richtige Werkzeug zur Verfügung. Und so nahmen die Astronomen in 34 Nächten die Spektren von 18 fernen Quasaren auf und studierten die Absorptionslinien von 50 Objekten auf der Sichtlinie zu den hell leuchtenden Himmelsobjekten. Zusätzlich nutzten die Forscher umfangreiche Simulationen, um das Linienprofil so genau wie möglich zu modellieren und etwaige Veränderung Alphas nachzuweisen.
Das Resultat der aufwändigen Arbeit: In den letzten zehn Milliarden Jahren kann sich eine relative Veränderung Alphas nur auf maximal 0,6·10-6 belaufen – eine kaum vorstellbare Winzigkeit. Bessere Messgenauigkeit für Alpha hat es bei astronomischen Messungen bisher noch nicht angeben. Eine signifikante Vergrößerung der Feinstrukturkonstante im Laufe der Jahrmilliarden, wie sie die australischen Ergebnisse nahe legen, ist jedenfalls aus den neuen Daten nicht herauszulesen. Auch weitere Untersuchungen mit dem UVES von einer anderen Astronomengruppe stützen die neuen Ergebnisse – wenngleich diese nur an einem sehr hellen Quasar, HE 0515-4414, entstanden [2].
Das australische Team ist von den neuen Messungen jedoch noch nicht überzeugt. Schließlich sei bei der Analyse der neuen Daten nur ein Teil der Absorptionslinien berücksichtigt worden: nur die einfachen, aus lediglich einer Komponente bestehenden. Das, so meint Michael Murphy, könne zu einem unrealistisch kleinen Fehler führen. Vielleicht lässt sich ja bald mit dem hochgenauen Spektrometer HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) des La Silla Observatory – ein Gerät, das eigentlich der Suche nach extrasolaren Planeten dient – eine genaue Aussage treffen, ob und wie stark sich die Feinstrukturkonstante in der Geschichte des Universums verändert hat. Bis dahin bleiben diese Fragen wohl offen.
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