Eine fundamentale Zahl, die die Farbe des von Atomen emittierten Lichts sowie alle chemischen Wechselwirkungen beeinflusst, hat sich nach Beobachtungen eines Astronomenteams, das die Entwicklung der Galaxien und des Universums aufzeichnet, in mehr als 7 Milliarden Jahren nicht geändert.
Die Ergebnisse werden heute (Montag, 18. April) auf der Jahrestagung der American Physical Society (APS) von dem Astronomen Jeffrey Newman, einem Hubble Fellow am Lawrence Berkeley National Laboratory, der DEEP2 vertritt, einer von der University of California, Berkeley, geleiteten Zusammenarbeit, berichtet und UC Santa Cruz. Newman präsentiert die Daten und ein Update zum DEEP2-Projekt um 13.00 Uhr. EDT-Pressekonferenz im Marriott Waterside Hotel in Tampa, Florida.
Die Feinstrukturkonstante, eine von wenigen reinen Zahlen, die eine zentrale Rolle in der Physik spielen, taucht in fast allen Gleichungen auf, die Elektrizität und Magnetismus betreffen, einschließlich jener, die die Emission elektromagnetischer Wellen - Licht - durch Atome beschreiben. Trotz seiner fundamentalen Natur haben einige Theoretiker vorgeschlagen, dass es sich mit zunehmendem Alter des Universums subtil ändert, was eine Änderung der Anziehungskraft zwischen dem Atomkern und den um ihn herum summenden Elektronen widerspiegelt.
In den letzten Jahren hat eine Gruppe australischer Astronomen berichtet, dass die Konstante im Laufe der Lebensdauer des Universums um etwa einen Teil von 100.000 zugenommen hat, basierend auf ihren Messungen der Absorption von Licht von entfernten Quasaren, wenn das Licht näher an Galaxien vorbeigeht zu uns. Andere Astronomen haben jedoch mit der gleichen Technik keine solche Änderung festgestellt.
Die neuen Beobachtungen des DEEP2-Umfrageteams verwenden eine direktere Methode, um ein unabhängiges Maß für die Konstante bereitzustellen, und zeigen keine Änderung innerhalb eines Teils von 30.000.
„Die Feinstrukturkonstante bestimmt die Stärke der elektromagnetischen Kraft, die das Zusammenhalten der Atome und die Energieniveaus innerhalb eines Atoms beeinflusst. In gewisser Weise hilft es dabei, die Größe aller gewöhnlichen Materie, die aus Atomen besteht, festzulegen “, sagte Newman. "Dieses Null-Ergebnis bedeutet, dass Theoretiker keine Erklärung dafür finden müssen, warum es sich so sehr ändern würde."
Die Feinstrukturkonstante, die mit dem griechischen Buchstaben Alpha bezeichnet wird, ist ein Verhältnis anderer „Konstanten“ der Natur, die sich in einigen Theorien im Laufe der kosmischen Zeit ändern könnten. Gleich dem Quadrat der Ladung des Elektrons geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit mal Plancks Konstante würde sich Alpha nach einer neueren Theorie nur ändern, wenn sich die Lichtgeschwindigkeit im Laufe der Zeit ändert. Einige Theorien der Dunklen Energie oder der großen Vereinigung, insbesondere jene, die viele zusätzliche Dimensionen beinhalten, die über die uns bekannten vier Bereiche Raum und Zeit hinausgehen, sagen eine allmähliche Entwicklung der Feinstrukturkonstante voraus, sagte Newman.
DEEP2 ist eine fünfjährige Untersuchung von Galaxien, die mehr als 7 bis 8 Milliarden Lichtjahre entfernt sind und deren Licht durch die Expansion des Universums gestreckt oder rot verschoben wurde, um seine ursprüngliche Wellenlänge nahezu zu verdoppeln. Obwohl das von der National Science Foundation unterstützte Verbundprojekt nicht darauf ausgelegt war, nach Variationen in der Feinstrukturkonstante zu suchen, wurde klar, dass eine Teilmenge der bisher beobachteten 40.000 Galaxien diesem Zweck dienen würde.
"In dieser gigantischen Umfrage stellt sich heraus, dass ein kleiner Teil der Daten perfekt für die Beantwortung der Frage ist, die Jeff gestellt hat", sagte der DEEP2-Untersuchungsleiter Marc Davis, Professor für Astronomie und Physik an der UC Berkeley. "Diese Umfrage ist wirklich universell und wird eine Million Mal verwendet."
Vor einigen Jahren wies der Astronom John Bahcall vom Institute for Advanced Study darauf hin, dass bei der Suche nach Variationen der Feinstrukturkonstante die Messung von Emissionslinien aus entfernten Galaxien direkter und weniger fehleranfällig wäre als die Messung von Absorptionslinien. Newman erkannte schnell, dass DEEP2-Galaxien mit Sauerstoffemissionslinien perfekt geeignet waren, um jede Änderung genau zu messen.
"Als die widersprüchlichen Ergebnisse von Absorptionslinien auftauchten, hatte ich die Idee, dass wir, da wir all diese Galaxien mit hoher Rotverschiebung haben, möglicherweise etwas nicht mit Absorptionslinien, sondern mit Emissionslinien in unserer Probe tun können", sagte Newman. "Emissionslinien würden sich geringfügig unterscheiden, wenn sich die Feinstrukturkonstante ändern würde."
Mit den DEEP2-Daten konnten Newman und seine Kollegen die Wellenlänge der Emissionslinien von ionisiertem Sauerstoff (OIII, dh Sauerstoff, der zwei Elektronen verloren hat) mit einer Genauigkeit von besser als 0,01 Angström von 5.000 Angström messen. Ein Angstrom, ungefähr so breit wie ein Wasserstoffatom, entspricht 10 Nanometern.
"Dies ist eine Präzision, die nur von Menschen übertroffen wird, die versuchen, nach Planeten zu suchen", sagte er und bezog sich auf die Erkennung schwacher Wackelbewegungen in Sternen aufgrund von Planeten, die am Stern ziehen.
Das DEEP2-Team verglich die Wellenlängen von zwei OIII-Emissionslinien für 300 einzelne Galaxien in verschiedenen Entfernungen oder Rotverschiebungen von einer Rotverschiebung von etwa 0,4 (vor ungefähr 4 Milliarden Jahren) bis 0,8 (vor ungefähr 7 Milliarden Jahren). Die gemessene Feinstrukturkonstante unterschied sich nicht vom heutigen Wert, der ungefähr 1/137 beträgt. In diesem Zeitraum von 4 Milliarden Jahren gab es auch keinen Auf- oder Abwärtstrend beim Alpha-Wert.
"Unser Nullergebnis ist nicht die genaueste Messung, aber eine andere Methode (Betrachtung der Absorptionslinien), die genauere Ergebnisse liefert, beinhaltet systematische Fehler, die dazu führen, dass unterschiedliche Personen, die die Methode verwenden, unterschiedliche Ergebnisse erzielen", sagte Newman.
Newman kündigte auf dem APS-Treffen auch die Veröffentlichung der ersten Daten-Saison (2002) aus der DEEP2-Umfrage an, die 10 Prozent der 50.000 entfernten Galaxien darstellt, die das Team untersuchen möchte. DEEP2 verwendet den DEIMOS-Spektrographen am Keck II-Teleskop in Hawaii, um Rotverschiebung, Helligkeit und Farbspektrum dieser entfernten Galaxien aufzuzeichnen, hauptsächlich um die damalige und heutige Galaxienhaufenbildung zu vergleichen. Die Umfrage, die mittlerweile zu mehr als 80 Prozent abgeschlossen ist, sollte die Beobachtungen in diesem Sommer abschließen und die Daten bis 2007 vollständig veröffentlichen.
"Dies ist wirklich ein einzigartiger Datensatz, um sowohl die Entwicklung der Galaxien als auch die Entwicklung des Universums im Laufe der Zeit einzuschränken", sagte Newman. „Die Sloan Digital Sky Survey führt Messungen auf etwa Rotverschiebung 0,2 durch und blickt auf die letzten 2-3 Milliarden Jahre zurück. Wir beginnen wirklich bei einer Rotverschiebung von 0,7 und einem Höchstwert von 0,8 oder 0,9, was 7-8 Milliarden Jahren entspricht, einer Zeit, als das Universum halb so alt war wie heute. “
Die Umfrage hat auch Messungen abgeschlossen, die Aufschluss über die Natur der Dunklen Energie geben könnten - eine mysteriöse Energie, die das Universum durchdringt und die Expansion des Universums zu beschleunigen scheint. Das Team modelliert nun verschiedene Theorien der Dunklen Energie, um theoretische Vorhersagen mit den neuen DEEP2-Messungen zu vergleichen.
Wie Davis es erklärte, bestimmt die Menge an dunkler Energie, die jetzt auf 70 Prozent der gesamten Energie im Universum geschätzt wird, die Entwicklung von Galaxien und Galaxienhaufen. Durch Zählen der Anzahl kleiner Gruppen und massereicher Galaxienhaufen in einem entfernten Raumvolumen als Funktion ihrer Rotverschiebung und Masse ist es möglich, den Betrag zu messen, um den sich das Universum bis zum heutigen Tag ausgedehnt hat, was von der Natur abhängt der dunklen Energie.
"Grundsätzlich zählen Sie die Cluster und fragen:" Gibt es viele oder wenige? ", Sagte Davis. "Das ist alles, worauf es ankommt. Wenn es nur sehr wenige Cluster gibt, bedeutet dies, dass sich das Universum ziemlich weit ausgedehnt hat. Und wenn es viele Cluster gibt, hat sich das Universum nicht so stark ausgedehnt. "
Davis vergleicht derzeit DEEP2-Messungen mit Vorhersagen der einfachsten Theorie der dunklen Energie, hofft jedoch, mit anderen Theoretikern zusammenarbeiten zu können, um exotischere Theorien der dunklen Energie zu testen.
"Sie versuchen wirklich zu erreichen, wie sich die dunkle Energiedichte ändert, wenn sich das Universum ausdehnt", sagte der theoretische Physiker Martin White von der UC Berkeley, Professor für Astronomie und Physik, der mit Davis zusammengearbeitet hat. „Wenn die Dunkle Energiedichte Einsteins kosmologische Konstante ist, ist die theoretische Vorhersage, dass sie sich nicht ändert. Der heilige Gral soll nun einige Beweise dafür erhalten, dass es nicht die kosmologische Konstante ist, sondern dass sie sich tatsächlich ändert. "
Ursprüngliche Quelle: UC Berkeley
