Es gibt ein unangenehmes, lästiges Problem mit unserem Verständnis der Naturgesetze, das Physiker seit Jahrzehnten zu erklären versuchen. Es geht um Elektromagnetismus, das Gesetz der Wechselwirkung von Atomen und Licht, das alles erklärt, warum man nicht durch den Boden fällt, bis hin zum blauen Himmel.
Unsere Theorie des Elektromagnetismus ist wohl die beste physikalische Theorie, die Menschen je aufgestellt haben – aber sie hat keine Antwort darauf, warum der Elektromagnetismus so stark ist, wie er ist. Nur Experimente können Ihnen die Stärke des Elektromagnetismus sagen, die durch eine Zahl namens α (auch bekannt als Alpha, oder die Feinstrukturkonstante).
Der amerikanische Physiker Richard Feynman, der bei der Entwicklung der Theorie mitgeholfen hat, nannte dies „eines der größten verdammten Mysterien der Physik“ und forderte die Physiker auf, „diese Zahl an ihre Wand zu hängen und sich darüber Gedanken zu machen“.
In Forschung gerade veröffentlicht in Wissenschaftentschieden wir uns zu testen, ob α an verschiedenen Orten in unserer Galaxie gleich ist, indem wir Sterne untersuchten, die fast identische Zwillinge unserer Sonne sind. Wenn α an verschiedenen Stellen unterschiedlich ist, könnte es uns helfen, die ultimative Theorie zu finden, nicht nur des Elektromagnetismus, sondern aller Naturgesetze zusammen – die „Theorie von allem“.
Wir wollen unsere Lieblingstheorie brechen
Physiker wollen vor allem eines: eine Situation, in der unser heutiges Verständnis von Physik zusammenbricht. Neue Physik. Ein Signal, das sich mit gängigen Theorien nicht erklären lässt. Ein Wegweiser für die Theorie von allem.
Um es zu finden, könnten sie warten Tief unter der Erde in einer Goldmine damit Teilchen dunkler Materie mit einem speziellen Kristall kollidieren. Oder sie könnten pflegen sorgfältig die weltbesten Atomuhren seit Jahren, um zu sehen, ob sie etwas andere Zeit anzeigen. Oder Protonen mit (fast) Lichtgeschwindigkeit im 27-km-Ring des Large Hadron Collider.
Das Problem ist, es ist schwer zu wissen, wo man suchen soll. Unsere gegenwärtigen Theorien können uns nicht leiten.
Natürlich schauen wir in Labors auf der Erde, wo es am einfachsten ist, gründlich und am genauesten zu suchen. Aber das ist ein bisschen so betrunken nur auf der Suche nach seinen verlorenen Schlüsseln unter einem Laternenpfahl wenn er sie eigentlich auf der anderen Straßenseite irgendwo in einer dunklen Ecke verloren haben könnte.
Sterne sind schrecklich, aber manchmal schrecklich ähnlich
Wir beschlossen, über die Erde hinauszuschauen, über unser Sonnensystem hinaus, um zu sehen, ob Sterne, die nahezu identische Zwillinge unserer Sonne sind, denselben Regenbogen an Farben erzeugen. Atome in der Atmosphäre von Sternen absorbieren einen Teil des Lichts, das aus den Kernöfen in ihren Kernen nach außen kämpft.
Nur bestimmte Farben werden absorbiert und hinterlassen dunkle Linien im Regenbogen. Diese absorbierten Farben werden durch α bestimmt – daher können wir durch sehr sorgfältiges Messen der dunklen Linien auch α messen.
Das Problem ist, dass sich die Atmosphären der Sterne bewegen – sieden, drehen, kreisen, rülpsen – und dies verschiebt die Linien. Die Verschiebungen verderben jeden Vergleich mit denselben Linien in Laboratorien auf der Erde und damit jede Möglichkeit, α zu messen. Sterne, so scheint es, sind schreckliche Orte, um den Elektromagnetismus zu testen.
Aber wir haben uns gefragt: Wenn Sie Sterne finden, die sich sehr ähnlich sind – Zwillinge voneinander –, sind ihre dunklen, absorbierten Farben vielleicht auch ähnlich. Anstatt also Sterne mit Laboratorien auf der Erde zu vergleichen, haben wir Zwillinge unserer Sonne miteinander verglichen.
Ein neuer Test mit Solarzwillingen
Unser Team aus Studenten, Postdoktoranden und leitenden Forschern an der Swinburne University of Technology und der University of New South Wales maß den Abstand zwischen Paaren von Absorptionslinien in unserer Sonne und 16 „Sonnenzwillingen“ – Sternen, die von unserer Sonne kaum zu unterscheiden sind.
Die Regenbögen von diesen Sternen wurden auf dem beobachtet 3,6-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte (ESO). in Chile. Obwohl es nicht das größte Teleskop der Welt ist, wird das gesammelte Licht in den wahrscheinlich am besten kontrollierten und am besten verstandenen Spektrographen eingespeist: HARFEN. Dadurch wird das Licht in seine Farben zerlegt, wodurch das detaillierte Muster dunkler Linien sichtbar wird.
HARPS verbringt einen Großteil seiner Zeit damit, sonnenähnliche Sterne zu beobachten, um nach Planeten zu suchen. Praktischerweise bot dies eine Fundgrube an genau den Daten, die wir brauchten.
Aus diesen exquisiten Spektren haben wir gezeigt, dass α bei den 17 Sonnenzwillingen mit erstaunlicher Genauigkeit gleich war: nur 50 Teile pro Milliarde. Das ist, als würde man seine Körpergröße mit dem Umfang der Erde vergleichen. Es ist der präziseste astronomische Test von α, der jemals durchgeführt wurde.
Leider haben unsere neuen Messungen unsere Lieblingstheorie nicht gebrochen. Aber die Sterne, die wir untersucht haben, sind alle relativ nahe, nur bis zu 160 Lichtjahre entfernt.
Was kommt als nächstes?
Wir haben kürzlich neue Sonnenzwillinge identifiziert, die viel weiter entfernt sind, etwa auf halbem Weg zum Zentrum unserer Milchstraße.
In dieser Region sollte es eine viel höhere Konzentration an Dunkler Materie geben – eine schwer fassbare Substanz, von der Astronomen glauben, dass sie in der gesamten Galaxie und darüber hinaus lauert. Wie α wissen wir herzlich wenig über dunkle Materie, und Einige theoretische Physiker schlagen vor, dass die inneren Teile unserer Galaxie nur die dunkle Ecke sein könnten, in der wir nach Verbindungen zwischen diesen beiden „verdammten Mysterien der Physik“ suchen sollten.
Wenn wir diese viel weiter entfernten Sonnen mit den größten optischen Teleskopen beobachten können, finden wir vielleicht die Schlüssel zum Universum.
Mehr Informationen:
Michael T. Murphy et al, Eine Grenze für Variationen in der Feinstrukturkonstante aus Spektren naher sonnenähnlicher Sterne, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abi9232
Dieser Artikel wird neu veröffentlicht von Die Unterhaltung unter einer Creative-Commons-Lizenz. Lies das originaler Artikel.