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Messung von Fundamentalkonstanten mit Methanol

Der Schlüssel zum astronomischen Modellierungsprozess, mit dem Wissenschaftler versuchen, unser Universum zu verstehen, ist eine umfassende Kenntnis der Werte, die diese Modelle ausmachen. Diese werden im Allgemeinen in Labors mit außergewöhnlich hohen Konfidenzniveaus gemessen. Astronomen gehen dann davon aus, dass diese Konstanten genau das sind – konstant. Dies scheint im Allgemeinen eine gute Annahme zu sein, da Modelle oft weitgehend genaue Bilder unseres Universums liefern. Aber nur um sicher zu gehen, stellen Astronomen gerne sicher, dass sich diese Konstanten nicht über Raum oder Zeit ändern. Sicherzustellen ist jedoch eine schwierige Herausforderung. Zum Glück, a aktuelles Papier hat vorgeschlagen, dass wir in der Lage sein könnten, die fundamentalen Massen von Protonen und Elektronen (oder zumindest ihr Verhältnis) zu erforschen, indem wir uns das relativ häufige Molekül Methanol ansehen.

Der neue Bericht basiert auf den komplexen Spektren des Methanmoleküls. In einfachen Atomen werden Photonen aus Übergängen zwischen Atomorbitalen erzeugt, da sie keine andere Möglichkeit haben, Energie zu speichern und zu übertragen. Aber bei Molekülen können die chemischen Bindungen zwischen den einzelnen Atomen die Energie in Schwingungsmoden speichern, ähnlich wie Massen, die mit Federn verbunden sind, schwingen können. Darüber hinaus fehlt es Molekülen an radialer Symmetrie und sie können Energie durch Rotation speichern. Aus diesem Grund zeigen die Spektren kühler Sterne weit mehr Absorptionslinien als heiße, da die kühleren Temperaturen die Bildung von Molekülen ermöglichen.

Viele dieser spektralen Merkmale sind im Mikrowellenteil der Spektren vorhanden und einige hängen stark von quantenmechanischen Effekten ab, die wiederum von genauen Massen des Protons und Elektrons abhängen. Wenn sich diese Massen ändern würden, würde sich auch die Position einiger Spektrallinien ändern. Durch den Vergleich dieser Variationen mit ihren erwarteten Positionen können Astronomen wertvolle Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sich diese fundamentalen Werte ändern können.

Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dass Methanol (CH3OH) ist selten, da unser Universum zu 98% aus Wasserstoff und Helium besteht. Die letzten 2% bestehen aus jedem anderen Element (mit Sauerstoff und Kohlenstoff am zweithäufigsten). Methanol besteht also aus drei der vier häufigsten Elemente, die sich aber erst finden müssen, um das jeweilige Molekül zu bilden. Darüber hinaus müssen sie auch im richtigen Temperaturbereich vorhanden sein; zu heiß und das Molekül wird zerbrochen; zu kalt und die Energie reicht nicht aus, um eine Emission zu verursachen, damit wir sie erkennen können. Aufgrund der Seltenheit von Molekülen mit diesen Bedingungen könnte man erwarten, dass es schwierig wäre, genug davon zu finden, insbesondere in der Galaxie oder im Universum.

Glücklicherweise ist Methanol eines der wenigen Moleküle, die dazu neigen, astronomische Maser zu erzeugen. Maser sind das Mikrowellen-Äquivalent von Lasern, bei denen ein kleiner Lichteintrag einen Kaskadeneffekt verursachen kann, bei dem die auftreffenden Moleküle ebenfalls Licht mit bestimmten Frequenzen emittieren. Dies kann die Helligkeit einer Methanol enthaltenden Wolke stark erhöhen und die Entfernung erhöhen, bis zu der sie leicht nachgewiesen werden kann.

Bei der Untersuchung von Methanol-Masern in der Milchstraße mit dieser Technik fanden die Autoren heraus, dass sich das Verhältnis der Masse eines Elektrons zu der eines Protons um weniger als drei Teile von hundert Millionen ändert. Ähnliche Studien wurden auch mit Ammoniak als Tracermolekül (das auch Maser bilden kann) durchgeführt und kamen zu ähnlichen Ergebnissen.



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