Feinstrukturkonstante auch in extremen Schwerefeldern konstant

Die Frage, ob Naturkonstanten wirklich überall im Universum denselben Wert haben, ist zentral für das Verständnis der Physik im Ganzen. Manche Theorien sagen allerdings voraus, dass solche Konstanten womöglich auf langen Zeitskalen variieren oder an Orten mit extremen Bedingungen andere als die uns bekannten Werte besitzen. Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Julian Berengut von der University of New South Wales hat nun mithilfe des Hubble-Weltraumteleskops herausgefunden, dass die sogenannte Feinstrukturkonstante in der Nähe eines Weißen Zwergs maximal um ein Zehntausendstel von ihrem Wert auf der Erde abweicht.

Eine Illustration zeigt, wie Licht aus einem Weißen Zwerg durch den verzerrten Raum zum Hubble-Weltraumteleskop gelangt.
Illustration des Lichtwegs vom Weißen Zwerg zum Hubble-Teleskop

Die Feinstrukturkonstante mit dem Formelzeichen α und einem Wert von etwa 1 durch 137 – der genaue Wert beträgt 0,007.297.352.5698(24) – ist eine fundamentale Größe für die elektromagnetische Kraft. Manche Theorien sagen voraus, dass sie unter bestimmten Bedingungen einen anderen Wert als den auf der Erde sehr genau bestimmten haben könnte. In solchen kosmologischen Modellen sorgen skalare Energiefelder dafür, dass α überall dort einen anderen Wert annimmt, wo starke Gravitationskräfte herrschen – zum Beispiel in der Nähe eines Weißen Zwergs. „Durch die Messung von α in der Nähe eines Weißen Zwergs und den Vergleich mit dem bekannten Wert im Labor können wir indirekt untersuchen, ob diese Skalarfelder wirklich existieren,“ erläutert Julian Berengut von der University of New South Wales.

Sein Team beobachtete die Spektrallinien, die Eisen- und Nickelionen durch Absorption im Licht des Weißen Zwergs hinterlassen. „Dieses Absorptionsspektrum erlaubt uns, den Wert von α mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Wir haben herausgefunden, dass ein Unterschied zwischen dem Wert auf der Erde und im starken Gravitationsfeld des Weißen Zwergs kleiner als eins zu zehntausend sein muss,“ so Berengut. „Dies bedeutet, dass jegliche Skalarfelder in der Atmosphäre des Sterns die elektromagnetische Kraft nur schwach beeinflussen können.“

Die Resultate ließen sich den Forschern zufolge mit präziseren Werten für die Laborwellenlängen der untersuchten Eisen- und Nickellinien noch weiter verbessern. „Unsere Arbeit war dadurch beeinträchtigt, dass wir auf Ergebnisse aus den 1970er-Jahren zurückgreifen mussten,“ erläutert Martin Barstow von der University of Leicester. Mit besseren Labordaten hofft das Team eine eventuelle Variation in der Feinstrukturkonstanten in Zukunft noch genauer eingrenzen zu können: Unterschiede in der Größenordnung von einem Millionstel des Wertes von α könnten dann mit ihrer Methode erkannt oder ausgeschlossen werden.