Das Robert C. Byrd Green Bank Teleskop. Bildnachweis: NRAO Zum Vergrößern anklicken
Ein internationales Astronomenteam hat sich etwas sehr Großes angesehen – eine weit entfernte Galaxie – um das Verhalten sehr kleiner Dinge – Atome und Moleküle – zu untersuchen, um wichtige Hinweise auf die grundlegende Natur unseres gesamten Universums zu erhalten. Das Team nutzte das Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) der National Science Foundation, um zu testen, ob sich die Naturgesetze über weite Zeitspannen der kosmischen Zeit verändert haben.
„Es wird erwartet, dass die fundamentalen Konstanten der Physik über Raum und Zeit hinweg fest bleiben; deshalb heißen sie Konstanten! Nun deuten jedoch neue theoretische Modelle für die Grundstruktur der Materie darauf hin, dass sie sich ändern können. Wir testen diese Vorhersagen.“ sagte Nissim Kanekar, Astronom am National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Socorro, New Mexico.
Bisher zeigen die Messungen der Wissenschaftler keine Veränderung der Konstanten. „Wir haben einigen Änderungen dieser Konstanten die bisher strengsten Grenzen gesetzt, aber das ist noch nicht das Ende der Geschichte“, sagte Christopher Carilli, ein weiterer NRAO-Astronom.
„Dies ist die aufregende Grenze, an der Astronomie auf Teilchenphysik trifft“, erklärte Carilli. Die Forschung kann dazu beitragen, grundlegende Fragen zu beantworten, ob die Grundkomponenten der Materie winzige Teilchen oder winzige schwingende Saiten sind, wie viele Dimensionen das Universum hat und wie die „dunkle Energie“ ist.
Die Astronomen suchten nach Veränderungen in zwei Größen: dem Verhältnis der Massen von Elektron und Proton und einer Zahl, die Physiker die Feinstrukturkonstante nennen, eine Kombination aus Elektronenladung, Lichtgeschwindigkeit und Planck-Konstante.
Diese Werte, die als fundamentale physikalische Konstanten angesehen wurden, wurden einst 'als zeitunabhängig genommen, mit Werten für immer und ewig', sagte der deutsche Teilchenphysiker Christof Wetterich. Wetterich erklärte jedoch, 'der Standpunkt der modernen Teilchentheorie hat sich in den letzten Jahren geändert', mit Ideen wie der Superstring-Theorie und zusätzlichen Dimensionen in der Raumzeit, die eine Veränderung der 'Konstanten' im Laufe der Zeit forderten, sagte er.
Die Astronomen verwendeten den GBT, um Radioemissionen bei vier spezifischen Frequenzen zwischen 1612 MHz und 1720 MHz zu erkennen und zu untersuchen, die von Hydroxylmolekülen (OH) in einer Galaxie stammen, die mehr als 6 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt war, gesehen in etwa der Hälfte des Universums aktuelles Alter. Jede der vier Frequenzen repräsentiert eine spezifische Änderung des Energieniveaus des Moleküls.
Die genaue Frequenz, die beim Übergang des Moleküls von einem Energieniveau zum anderen emittiert oder absorbiert wird, hängt von den Werten der fundamentalen physikalischen Konstanten ab. Allerdings reagiert jede der vier untersuchten Frequenzen im OH-Molekül unterschiedlich auf eine Änderung der Konstanten. Diesen Unterschied wollten die Astronomen mit dem GBT feststellen, das laut Kanekar aufgrund seiner technischen Möglichkeiten und seiner Lage in der National Radio Quiet Zone, in der die Funkstörungen minimal sind, das ideale Teleskop für diese Arbeit ist.
„Wir können den Änderungen der physikalischen Konstanten sehr enge Grenzen setzen, indem wir das Verhalten dieser OH-Moleküle zu einer Zeit untersuchen, als das Universum nur etwa die Hälfte seines heutigen Alters war, und dieses Ergebnis mit dem heutigen Verhalten der Moleküle im Labor vergleichen.“ sagte Karl Menten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland.
Der Theoretiker Wetterich begrüßt die neue Fähigkeit und sagt, die Beobachtungsmethode „scheint sehr vielversprechend, die vielleicht genauesten Werte für solche möglichen zeitlichen Änderungen der Konstanten zu erhalten“. Er wies darauf hin, dass, während einige theoretische Modelle verlangen, dass sich die Konstanten nur in den frühen Momenten nach dem Urknall ändern, Modelle der kürzlich entdeckten, mysteriösen „dunklen Energie“, die die Expansion des Universums zu beschleunigen scheint, Veränderungen „sogar“ erfordern in den letzten paar Milliarden Jahren.“
„Das können nur Beobachtungen sagen“, sagte er.
Diese Forschung verbindet die theoretischen und beobachtenden Arbeiten von Wetterich und Carilli, den diesjährigen Gewinnern des renommierten Max-Planck-Forschungspreises der Alexander von Humboldt-Stiftung und der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland. Menten und Carilli arbeiten in der Forschung auf diesem Gebiet seit Jahren zusammen, und Kanekar ist Pionier der OH-Molekültechnik.
Kanekar, Carilli und Menten arbeiteten mit Glen Langston von NRAO, Graca Rocha vom Cavendish Laboratory in Großbritannien, Francoise Combes vom Pariser Observatorium, Ravi Subrahmanyan von der Australia Telescope National Facility (ATNF), John Stocke von der University of Colorado, Frank Briggs von der ATNF und der Australian National University sowie Tommy Wiklind vom Space Telescope Science Institute in Schweden. Über ihre Ergebnisse berichteten die Wissenschaftler in der 31. Dezember-Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters.
Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. betrieben wird.
Originalquelle: NRAO-Pressemitteilung
