Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physikalische Konstante besteht Alkoholtest

14.12.2012
Grundlegende Eigenschaften von Molekülen haben sich in den vergangenen sieben Milliarden Jahren nicht verändert

Das Massenverhältnis von Protonen zu Elektronen gilt als Naturkonstante. Und dies zurecht, wie neueste radioastronomische Beobachtungen einer fernen Galaxie gezeigt haben.


Schematisches Bild des Methanol-Moleküls. Die schwarze Kugel markiert das zentrale Kohlenstoffatom, die rote ein Sauerstoff-Atom und die grauen Kugeln stehen für Wasserstoff-Atome. Der gelbe Pfeil repräsentiert die interne Drehbewegung des Moleküls, deren Beeinträchtigung zu einem Quantentunneleffekt führt.
VU University Amsterdam / Paul Jansen


Luftbild des Radio-Observatoriums in Effelsberg mit dem 100-Meter-Radioteleskop. Mit diesem Teleskop führten die Forscher spektroskopische Beobachtungen des Methanol-Moleküls in Richtung der weit entfernten Galaxie PKS1830-211 durch.
MPIfR/Photo: Peter Sondermann/VisCom

Mit dem 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg haben Wissenschaftler der VU-Universität Amsterdam und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn Absorptionslinien des Moleküls Methanol bei einer Reihe von charakteristischen Frequenzen gemessen. In einer weit entfernten Galaxie analysierten die Forscher das Spektrum des einfachsten Vertreters aus der Stoffgruppe der Alkohole.

Ergebnis: Moleküle und molekulare Materie weisen heute mit hoher Genauigkeit dieselben Eigenschaften auf wie vor sieben Milliarden Jahren. Insbesondere das Massenverhältnis von Protonen und Elektronen hat sich demnach in diesem Zeitraum um maximal hunderttausendstel Prozent geändert.

Fundamentalen Naturkonstanten wie dem Proton-zu-Elektron-Massenverhältnis können Physiker nur durch Messungen näher kommen. Zwar ergeben alle erdgebundenen Experimente für dieses Verhältnis denselben Wert. Trotzdem wäre es theoretisch möglich, dass die Konstante sich in verschiedenen Regionen des Universums oder zu unterschiedlichen Zeiten in dessen Geschichte verändert hat. Um solche Abweichungen nachzuweisen, eignet sich das Methanol-Molekül als Messfühler.

Eine Reihe von Linien im Radiospektrum dieses Moleküls würden bei einer Änderung des Proton-zu-Elektron-Massenverhältnisses eine deutliche Frequenzverschiebung zeigen, während andere Linien von dieser Verschiebung nicht betroffen wären. Erst kürzlich hat eine Gruppe an der VU-Universität Amsterdam herausgefunden, welche Eigenschaft das Methanol zu einem solch empfindlichen Messfühler macht: Letztendlich handelt es sich dabei um einen Quantentunnel-Effekt, der zustande kommt, wenn die interne Rotation des Moleküls beeinträchtigt ist. Dieser Effekt führt zu sehr hohen Werten für die Empfindlichkeits-Koeffizienten der entsprechenden Spektrallinien, die sich alle einzeln berechnen lassen.

„Dadurch wird nun das Methanol-Molekül ein idealer Testfall, um eine mögliche zeitliche Veränderung des Proton-zu-Elektron-Massenverhältnisses zu entdecken”, sagt Wim Ubachs, Professor an der VU-Universität Amsterdam und Leiter des Physik-Departments. „Deshalb haben wir vorgeschlagen, nach Linienstrahlung von Methanol im fernen Universum zu suchen, um die Struktur der so gefundenen Moleküle mit der des Methanols in der heutigen Zeit in Laborexperimenten zu vergleichen.“

Das Team beobachtete eine Galaxie, in der bereits eine Reihe verschiedener Moleküle beobachtet worden waren. Die Galaxie, die in der Sichtlinie zu einer intensiv strahlenden Radioquelle namens PKS1830-211 steht, ist etwa sieben Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Mit ihrem Suchprogramm zielten die Wissenschaftler auf vier verschiedene Linienübergänge im Radiospektrum des Methanol-Moleküls. Mithilfe des 100-Meter-Radioteleskops in Effelsberg konnten sie auch tatsächlich alle vier Linien entdecken.

„Als optische Astronomin war es für mich eine interessante Erfahrung, Beobachtungen bei so großen Wellenlängen durchzuführen, wie sie im Radiobereich auftreten“, sagt Julija Bagdonaite, Doktorandin an der VU-Universität Amsterdam und Erstautorin der Veröffentlichung. „Das Methanol-Molekül hat diese Radiowellen bereits vor sieben Milliarden Jahren absorbiert, und die Wellen haben seinen Fingerabdruck aus ferner Vergangenheit auf ihrem Weg zur Erde mit sich getragen.“

Aus einer Analyse der Quantenstruktur des Methanol-Moleküls leiteten die Forscher ab, dass sich zwei von dessen Spektrallinien, die sie bei Frequenzen um 25 GHz beobachten, kaum von einer Änderung des Proton-zu-Elektron-Massenverhältnisses beeinflussen ließen. Die anderen beiden Linien reagieren viel empfindlicher auf eine Modifikation dieses Parameters.

“Die Quelle, die wir untersucht haben, ist von unseren Beobachtungsobjekten mit Abstand am besten geeignet, um die Gültigkeit unserer lokalen Physik auch in weit entfernten exotischen Umgebungen zu untersuchen“, sagt Christian Henkel vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie. „Es wäre phantastisch, wenn wir noch mehr Quellen dieser Art finden könnten, mit denen wir noch weiter in die Vergangenheit schauen könnten.“

Bei der Auswertung der Daten bezogen die Wissenschaftler auch systematische Effekte der Beobachtungen mit ein und kamen so zu folgendem Ergebnis: Das Massenverhältnis von Proton und Elektron hat sich im Lauf der vergangenen sieben Milliarden Jahre um einen Faktor von maximal 10-7 geändert und gilt damit zurecht als Naturkonstante. Dieses Ergebnis kann durchaus so interpretiert werden, dass die Struktur der molekularen Materie, wie aus spektralen Beobachtungen abgeleitet, sehr genau mit derjenigen vor sieben Milliarden Jahren übereinstimmt. Mögliche Abweichungen betragen nur ein Hunderttausendstel Prozent oder sogar weniger.

“Wenn wir tatsächlich Abweichungen in dieser fundamentalen Konstante finden würden, dann hätten wir ein Problem mit unserem Verständnis der Grundlagen der Physik“, schließt Karl Menten, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie. „Vor allem wäre damit Einsteins Äquivalenzprinzip verletzt, das Herzstück der Allgemeinen Relativitätstheorie.“

Originalveröffentlichung:
Julija Bagdonaite, Paul Jansen, Christian Henkel, Hendrick L. Bethlem, Karl M. Menten, Wim Ubachs
A Stringent Limit on a Drifting Proton-to-electron Mass Ratio from Alcohol in the Early Universe

Science Express, December 13, 201

Kontakt:
Dr. Christian Henkel
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Telefon: +49 228 525-305
E-Mail: chenkel@­mpifr-bonn.mpg.de
Prof. Dr. Karl M. Menten
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Telefon: +49 228 525-297
E-Mail: kmenten@­mpifr-bonn.mpg.de
Dr. Norbert Junkes
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Telefon: +49 2 28525-399
E-Mail: njunkes@­mpifr-bonn.mpg.de

Dr Harald Rösch | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.­mpifr-bonn.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Freie Elektronen in Sonnen-Protuberanzen untersucht
25.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Magnetische Quantenobjekte im "Nano-Eierkarton": PhysikerInnen bauen künstliche Fallen für Fluxonen
25.07.2017 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Im Focus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Im Focus: Breitbandlichtquellen mit flüssigem Kern

Jenaer Forschern ist es gelungen breitbandiges Laserlicht im mittleren Infrarotbereich mit Hilfe von flüssigkeitsgefüllten optischen Fasern zu erzeugen. Mit den Fasern lieferten sie zudem experimentelle Beweise für eine neue Dynamik von Solitonen – zeitlich und spektral stabile Lichtwellen – die aufgrund der besonderen Eigenschaften des Flüssigkerns entsteht. Die Ergebnisse der Arbeiten publizierte das Jenaer Wissenschaftler-Team vom Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Fraunhofer-Insitut für Angewandte Optik und Feinmechanik, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Helmholtz-Insituts im renommierten Fachblatt Nature Communications.

Aus einem ultraschnellen intensiven Laserpuls, den sie in die Faser einkoppeln, erzeugen die Wissenschaftler ein, für das menschliche Auge nicht sichtbares,...

Im Focus: Flexible proximity sensor creates smart surfaces

Fraunhofer IPA has developed a proximity sensor made from silicone and carbon nanotubes (CNT) which detects objects and determines their position. The materials and printing process used mean that the sensor is extremely flexible, economical and can be used for large surfaces. Industry and research partners can use and further develop this innovation straight away.

At first glance, the proximity sensor appears to be nothing special: a thin, elastic layer of silicone onto which black square surfaces are printed, but these...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

10. Uelzener Forum: Demografischer Wandel und Digitalisierung

26.07.2017 | Veranstaltungen

Clash of Realities 2017: Anmeldung jetzt möglich. Internationale Konferenz an der TH Köln

26.07.2017 | Veranstaltungen

2. Spitzentreffen »Industrie 4.0 live«

25.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Robuste Computer für's Auto

26.07.2017 | Seminare Workshops

Läuft wie am Schnürchen!

26.07.2017 | Seminare Workshops

Leicht ist manchmal ganz schön schwer!

26.07.2017 | Seminare Workshops