Physikalische Konstanten in Raum und Zeit

Seit einigen Jahrzehnten können durch Messung optischer Spektrallinien in astronomischen Objekten die Größen physikalischer Fundamentalkonstanten bestimmt werden. Bei dem Versuch, immer genauere Daten zu erhalten, erweisen sich seit kurzem Linien interstellarer Moleküle im Radiobereich als besonders geeignet. So konnte unsere Gruppe vom MPI für Radioastronomie zusammen mit Kollegen aus den Niederlanden kürzlich das Proton-zu-Elektron-Massenverhältnis mit bislang unerreichter Präzision im jungen Universum messen und mit dem heutigen Wert vergleichen.

Die Frage, ob die Fundamentalkonstanten zu jeder Zeit und an jedem Ort im Universum denselben Wert haben, berührt unser grundlegendes Verständnis der Welt. Wären die Konstanten nicht konstant, so könnten wir nicht die physikalischen Gesetze, die wir in Erdnähe messen, auf den Rest des Universums übertragen. Das Massenverhältnis von Proton-zu-Elektron ist eine solche Konstante.

Die Protonenmasse wird durch die starke Wechselwirkung bestimmt, welche die Atomkerne zusammenhält. Die Elektronenmasse ist dagegen von der schwachen Wechselwirkung abhängig, die für den radioaktiven Zerfall von Atomkernen verantwortlich zeichnet. Daher verbindet das Verhältnis der beiden Massen, μ = m_p/m_e ~ 1836 zwei grundlegende Naturkräfte. Dieses Verhältnis bestimmt auch die Frequenzen molekularer Linien. So hängen die Frequenzen von elektronischen Übergängen, Vibrationsschwingungen und Rotationsübergängen in unterschiedlicher Weise von μ ab.

Jede astronomische Quelle besitzt eine für sie charakteristische Radialgeschwindigkeit, die anzeigt, wie schnell sie sich auf uns zu oder von uns weg bewegt. Dies äußert sich im Doppler-Effekt, also durch eine Verschiebung der gemessenen Linienfrequenz relativ zum Laborwert. Falls μ in der Quelle vom Laborwert abweicht, sollten beispielsweise Vibrations- und Rotationslinien eines Moleküls in ein und demselben Objekt unterschiedliche (auf dem Laborwert von μ basierende) Radialgeschwindigkeiten aufweisen. Ziel ist es, derartige Unterschiede exakt zu messen.

Interessante Ergebnisse konnten in den letzten Jahren durch einen Vergleich von Rotationslinien mit den Inversionslinien des Ammoniakmoleküls (NH₃) bei etwa 1,3 cm Wellenlänge erzielt werden. Hier ließ sich in Molekülwolken mit besonders schmalen Spektrallinien in einigen hundert Lichtjahren Entfernung zeigen, dass μ höchstens um 3 • 10^-8 vom Laborwert abweicht. Dieser obere Grenzwert ist deshalb besonders interessant, weil es Theorien gibt, wonach die Teilchenmassen von der Materiedichte der Umgebung abhängen. Da die Dichten in den interstellaren Molekülwolken typischerweise um 15 Größenordnungen geringer sind als in unserer Atmosphäre, sollten Unterschiede in μ eventuell nachweisbar sein. Wir wissen jetzt, dass diese Unterschiede, so sie denn überhaupt existieren, extrem klein sein müssen.

Das NH₃-Molekül lässt sich auch in entfernten Galaxien nachweisen. Wegen der endlichen Geschwindigkeit des Lichts können wir in der Quelle PKS1830-211 die entsprechenden Spektrallinien zu einer Zeit von vor etwa 7 Milliarden Jahren beobachten, einer Zeit, in der unser Sonnensystem noch gar nicht existierte. Die NH₃-Linien erscheinen in Absorption vor der breitbandigen Kontinuumstrahlung einer noch weit dahinter liegenden Radioquelle. Die auf diese Weise gemessenen Absorptionslinien sind deutlich breiter als die in Dunkelwolken, weswegen sich Frequenzverschiebungen nicht ganz so genau bestimmen lassen. Immerhin konnte für μ eine Abweichung von weniger als 10^-6 relativ zum irdischen Wert bestimmt werden.

Vor kurzem stellte sich heraus, dass sich das Molekül Methanol (CH₃OH), die einfachste Form des Alkohols, noch besser für derartige Studien eignet. Das Molekül kann als Ganzes rotieren. Zum anderen bewirkt seine innere Struktur, bestehend aus einem Methylkopf (CH₃) und einem Hydroxylschwanz (OH), dass sich Kopf und Schwanz gegeneinander drehen, also interne Rotation ausführen können (Abbildung 1). Interessanterweise bieten Zustandsänderungen, die beide Arten von Rotation umfassen und zur Aussendung von Linienstrahlung führen, eine sehr starke Frequenzabhängigkeit von μ.

Mit dem 100-m-Radioteleskop in Effelsberg in der Eifel konnten wir bei 5, 1,3 und 1 cm Wellenlänge derartige CH3OH-Absorptionsinien, wieder in PKS 1830-211, nachweisen. Diese Messungen haben den Grenzwert noch einmal um eine volle Größenordnung verbessert. Sie fanden Δμ/μ = (0,0 ± 1,0) • 10⁻⁷ – also keine Änderung mit der Zeit. Die Suche nach noch weiter entfernten und damit näher am Urknall befindlichen Objekten läuft bereits. 

Der Originalbeitrag ist in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen.

Christian Henkel, Karl Menten, Max-Planck-Institut für Radioastronomie