Gravitationsabhängige Fein­struktur­konstante?

Sind die Naturkonstanten wirklich konstant, oder ändern sie sich im Laufe von Jahrmilliarden geringfügig? Nehmen sie in der Nähe von massiven Körpern wie Weißen Zwergen andere Werte an als auf der Erde? Bisher ergaben Präzisionsmessungen an atomaren Spektren keine Hinweise auf eine Änderung der Feinstrukturkonstante α, die ein Maß für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung ist. Jetzt haben Forscher nach einer möglichen Gravitationsabhängigkeit von α gefahndet.

In kosmologischen Modellen wie auch in Theorien der Hochenergiephysik können hypothetische Felder auftreten, die die Parameter des Standardmodells der Teilchenphysik und damit bestimmte Naturkonstanten verändern. In der Nähe von Weißen Zwergen oder anderen kompakten Körpern sollte diese Änderung besonders groß sein. Forscher um Victor Flambaum von der University of New South Wales und John Barrow von der University of Cambridge haben anhand von Beobachtungsdaten des Hubble-Weltraumteleskops untersucht, ob das Gravitationspotential eines Weißen Zwerges die Feinstrukturkonstante beeinflusst.

Hubble hatte von dem Weißen Zwerg G191-B2B, der etwa 150 Lichtjahre entfernt ist, die halbe Sonnenmasse und ein Fünfzigstel des Sonnenradius hat, mit hoher Auflösung das ferne UV-Spektrum aufgenommen. Das Spektrum enthielt einige hundert Absorptionslinien von vierfach ionisierten Eisen- und Nickelatomen, die sich nahe der Oberfläche des Sterns befanden. Dort waren sie einem Gravitationspotential ausgesetzt, das sich von dem auf der Erde erheblich unterschied, und zwar um Δ = 5 × 10^–5. Frühere Messungen auf der Erde konnten nur die viel kleinere Potentialänderung im Gravitationsfeld der Sonne von 10^–10 ausnutzen, die durch die Variation des Abstandes der Erde von der Sonne verursacht wird.

Die Forscher verglichen die bei Laborexperimenten auf der Erde gemessenen Wellenlängen der Eisen- und Nickellinien mit den Wellenlängen, die sich aus dem vom Hubble-Teleskop aufgenommenen Spektrum des Weißen Zwerges ergaben. Nachdem sie die Rotverschiebung des Spektrums aufgrund des Doppler-Effekts und des Gravitationspotentials des Weißen Zwerges berücksichtigt hatten, konnten sie die verbliebenen Wellenlängenunterschiede darauf zurückführen, dass die Feinstrukturkonstante durch das Gravitationspotential des Weißen Zwerges verändert worden war.

Tatsächlich hingen die Wellenlängen der unterschiedlichen Absorptionslinien unterschiedlich stark von einer Änderung der Feinstrukturkonstanten ab, wie aufwendige atomphysikalische Berechnungen der entsprechenden relativen Empfindlichkeit ergaben. Sowohl für die Eisen- als auch für die Nickellinien trugen die Forscher die ermittelten Wellenlängenunterschiede gegen die berechneten relativen Empfindlichkeiten Q_α auf. Aus einem linearen Zusammenhang zwischen den Wellenlängendifferenzen und den Empfindlichkeiten konnten sie dann die gravitationsbedingte relative Änderung Δα / α bestimmen.

Auf den ersten Blick sind die Ergebnisse widersprüchlich. Während sich aus den Eisenlinien Δα / α = 4,2 × 10^–5 ergab, folgte aus den Nickellinien Δα / α = –6,1 × 10^–5. Allerdings überwogen die Eisenlinien zahlenmäßig bei weitem die Nickellinien, sodass sie ein wesentlich größeres Gewicht hatten. Als Mittelwert über beide Atomsorten ergab sich Δα / α = 3,5 × 10^–5. Die Forscher führen das „negative“ Resultat für die Nickellinien darauf zurück, dass die vor Jahren andernorts gemachten Messungen der Wellenlängen zu ungenau waren und einen systematischen Fehler enthielten. Verbesserte Messungen sollten hier Klarheit schaffen. Außerdem könnte man das Problem der ungenauen Referenzwellenlängen dadurch umgehen, dass man die Spektren zweier Weißer Zwerge direkt miteinander vergleicht.

Die Messungen am Spektrum des Weißen Zwerges G191-B2B haben ergeben, dass eine relative Änderung des Gravitationspotentials Δ /  eine etwa gleichgroße relative Änderung der Feinstrukturkostanten Δα / α hervorrufen könnte: Δα / α ≈ Δ / . Neue, wesentlich genauere Labormessungen an Dysprosiumatomen haben indes das Resultat gezeigt, dass für die viel kleinere Potentialänderung auf der Erde die Feinstrukturkonstante praktisch unverändert bleibt: Δα / α ≈ –10^–6 Δ / .

Eine vergleichbare Genauigkeit von 10^–6 sollte sich auch mit den Spektren Weißer Zwerge erreichen lassen, wenn hinreichend genaue Labordaten für die Wellenlängen der Eisen- und Nickellinien zur Verfügung stehen. Dann ließe sich herausfinden, ob die Atome auf einem Weißen Zwerg nicht nur langsamer sondern völlig anders „ticken“ als auf der Erde.

Rainer Scharf

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