Natuurconstante ook constant in een sterk zwaartekrachtsveld

Foto van de laseropstelling waarmee de laboratoriumspectra zijn gemeten.
Credit: LaserLaB Vrije Universiteit Amsterdam/Wim Ubachs

Een internationaal team van natuurkundigen heeft aangetoond, dat de massaverhouding tussen het proton en het elektron hetzelfde is in zwakke en in sterke zwaartekrachtsvelden. Hun werk, dat deels gefinancierd is door Stichting FOM, verscheen op 18 september 2014 online in Physical Review Letters. Het idee dat de natuurwetten en fundamentele natuurconstanten niet afhangen van lokale omstandigheden staat bekend als het equivalentieprincipe. Dit principe is de hoeksteen van Einsteins algemene relativiteitstheorie. FOM-fysici, werkzaam bij het LaserLaB op de Vrije Universiteit Amsterdam, hebben het principe getest door te bepalen of een van de natuurconstanten, de massaverhouding tussen protonen en elektronen, afhangt van de sterkte van het zwaartekrachtsveld waarin de deeltjes zich bevinden.

Laboratoria op aarde en in de ruimte

De onderzoekers vergeleken de proton-elektron-massaverhouding nabij het oppervlak van witte dwergen met de massaverhouding in een laboratorium op aarde. Witte dwergen zijn sterren in een laat stadium van hun levenscyclus, die geïmplodeerd zijn tot één procent van hun oorspronkelijke afmeting. Het zwaartekrachtsveld op het oppervlak van deze sterren is daarom zo’n 10.000 keer sterker dan dat op aarde. De fysici concludeerden dat zelfs in deze sterke velden de proton-elektron-massaverhouding hetzelfde is, binnen een marge van 0,005 procent. In beide gevallen is het proton 1836.152672 maal zo zwaar als het elektron.

Absorptiespectra

De Nederlandse fysici werkten samen met sterrenkundigen van de University of Leicester, de University of Cambridge en de Swinburne University of Technology in Melbourne. Het team analyseerde absorptiespectra van waterstofmoleculen in de fotosfeer van de witte dwergsterren (de fotosfeer is een buitenste sterlaag die licht uitzendt), waarvan je een voorbeeld hieronder ziet.

Het spectrum van de witte dwerg G29-38. Credit: NASA/JPL-Caltech/M. Kuchner (GSFC).

De onderzoekers vergeleken deze astronomische spectra met spectra die zij in het LaserLaB hadden gemeten met behulp van een laseropstelling. Absorptiespectra geven aan welke stralingsfrequenties een deeltje absorbeert. Een kleine afwijking van de proton-elektron-massaverhouding zou de structuur van een molecuul veranderen en daarmee ook zijn absorptiespectrum. Een vergelijking van de spectra leert echter dat de waarde van de proton-elektron-massaverhouding onafhankelijk is van het zwaartekrachtsveld.

Rock-solid

FOM-promovendus Julija Bagdonaite: “We hebben eerder bevestigd dat deze natuurconstante constant is in de tijd, met metingen van de Very Large Telescope in Chili. Nu hebben we de Hubble ruimtetelescoop gebruikt om zijn constantheid te beproeven in verschillende zwaartekrachtsvelden. Steeds vinden we de bevestiging: natuurconstanten zijn rock-solid.” Bron: FOM.

Alcohol laat zien dat natuurconstante al zeven miljard jaar onveranderd is

Door naar het licht van een ver verwijderd sterrenstelsel te kijken zijn sterrenkundigen er in geslaagd om van een belangrijke natuurconstante vast te stellen dat deze de afgelopen zeven miljard jaar niet is veranderd. Het gaat om de verhouding tussen de massa van het proton en dat van het electron, een verhouding die μ wordt genoemd en die gelijk is aan:μmp/me = 1.836,15267245

De 100 m radiotelescoop van Effelsberg. Credit:  Paul Jansen

Experimenten met buiten-galactisch alcohol – methanol (CH3OH) om precies te zijn, de eenvoudigste vorm van alcohol – tonen aan dat deze verhouding zeven miljard jaar geleden precies zo was, althans met een foutenmarge van een honderdduizendste van een procent. De waarde van deze fundamentele natuurconstante – en daarmee de structuur van alle moleculaire materie – is dus niet veranderd gedurende de tweede helft van de levensduur van ons universum. Dit publiceerde een Nederlands-Duits onderzoeksteam onder leiding van FOM-werkgroepleider prof.dr. Wim Ubachs (Vrije Universiteit) 13 december online in het wetenschappelijke tijdschrift Science. Het idee voor het onderzoek ontstond toen de onderzoekers erachter kwamen dat de structuur van het methanolmolecuul uiterst gevoelig is voor een kleine verandering van de massaverhouding tussen een proton en een elektron.

Het methanol molecuul (CH3OH).

De structuur van buiten-galactisch alcohol zou dus informatie kunnen geven over de geschiedenis van deze verhouding. Ze  stelden aan hun Duitse collega’s voor om de kosmos af te speuren op zoek naar buiten-galactisch alcohol. En zo begon het onderzoek met een grote radiotelescoop met een schotel van honderd meter doorsnee in Effelsberg, een klein plaatsje in de Duitse Eiffel. Ze vonden in een verafgelegen melkwegstelsel – de quasar genaamd PKS-1830-211 – inderdaad moleculen die radiostraling bij bepaalde frequenties absorbeerden, karakteristiek voor het methanolmolecuul. Uit de ‘kosmologische roodverschuiving’ van de absorpties – die samenhangt met de uitdijing van het heelal – bepaalden ze de leeftijd: zeven miljard jaar. Vervolgens konden ze uit precieze frequentiemetingen van de geabsorbeerde radiostraling afleiden dat de natuurconstante niet veranderd is. Ubachs: “Deze waarnemingen leren ons dat de moleculaire materie de afgelopen zeven miljard jaar niet veranderd is; althans niet meer dan een honderdduizendste procent.”  Vrije Universiteit van Amsterdam.

En nog is niet bekend of de Fijn-Structuur Constante echt constant is

Zijn de natuurconstanten echt constant?

Zijn de natuurconstanten constant? Dat is een vraag die de natuurkundigen al tientallen jaren bezig houdt. De lichtsnelheid c bijvoorbeeld – 299 792 458 m/s volgens alle leerboekjes – heeft die altijd die waarde gehad of is er gedurende de evolutie van het heelal ook een veranderende waarde van c? Er zijn natuurkundigen die vermoeden dat de natuurconstanten héél geleidelijk veranderen en dat zou met name te meten zijn aan de zogenaamde Fijn-Structuur Constante α, welke de sterkte van de electromagnetische wisselwerking bepaalt, één van de vier natuurkrachten. Het is een dimensieloze constante die hier en nu op 1/137.035999074 wordt gesteld. Er zijn eerder al pogingen gedaan om de mogelijke verandering van α te meten, namelijk door onderzoek aan het licht van waterstofgas in ver weg gelegen quasars – actieve sterrenstelsels met een superzwaar zwart gat in hun kern – dat onderweg naar aarde deels wordt geabsorbeerd door tussenliggende gaswolken, hetgeen leidt tot donkere absorptielijnen in het spectrum. Onderzoek aan die lijnen geeft de onderzoekers een indruk van de sterkte van de electromagnetische kracht in die quasars. Echte duidelijkheid gaf dat echter niet en daarom heeft men nu de hoop gevestigd op een zelfde soort onderzoek, maar dan met hydroxyl moleculen in plaats van waterstofatomen. Die moleculen bestaan uit een combinatie van zuurstof- en waterstofatomen en de absorptie van dergelijke gaswolken tussen de quasar en de aarde zou een beter resultaat moeten geven. Maar een groep sterrenkundigen onder leiding van Nissim Kanekarat (National Centre for Radio Astrophysics in Pune, India) keek naar de 6,7 miljard lichtjaar ver weg gelegen quasar genaamd PMN J0134−0931 en de resultaatverwachting dat de absorptie van diens licht door tussenliggende hydroxylmoleculen iets kon laten zien van een veranderende constante α kon niet worden waargemaakt. Uit de metingen kan je zowel afleiden dat de constante varieert als dat de variatie nul is, dus dat schiet ook niet op. Boosdoener was waarschijnlijk een tweede tussenliggende hydroxylwolk, die de boel in de ar schopte. Het wachten is nu op de Square Kilometre Array (SKA), een reusachtige nog te bouwen radiotelescoop, die komt te bestaan uit duizenden kleine radioantennes, die verspreid op Aarde zullen staan. Die zal – hoopt men – in staat zijn de hydroxyl wolken gedetailleerd waar te nemen en wellicht de variabiliteit van α. Bron: New Scientist.’,

Proton-electron verhouding overal hetzelfde

Credit: Swinburne Universiteit

Een proton is op Aarde ongeveer 1836,15 keer zo zwaar als een electron. De vraag is of dat ook elders geldt, op de maan of in een sterrenstelsel zes miljard lichtjaar verderop. Natuurkundigen hebben twijfels gehad over de vraag of de verhouding van de massa van proton en electron een echte constante mag worden genoemd. Er waren vermoedens dat de afgelopen 12 miljard jaar de constante iets was afgenomen, maar harde bewijzen ontbraken. Maar nu blijkt uit onderzoek van een groep sterrenkundigen onder leiding van Michael Murphy (Swinburne Universiteit in Australië) dat de constante overal in het heelal hetzelfde is. Dat deden ze door te kijken naar B0218+367, een quasar die 7,5 miljard lichtjaar van ons verwijderd is. Tussen die quasar en de Aarde staat nog een sterrenstelsel dat veel ammonia bevat, het spul dat we thuis in de badkamer gebruiken. Moet vast en zeker een erg schoon sterrenstelsel zijn. 😉 Afijn, met de 100 meter radiotelescoop in Effelsberg (Duitsland) ging men dat ammonia bekijken op een golflengte van 2 cm. De originele golflengte van het ammonia was 1,3 cm, maar door roodverschuiving was het wat langer geworden (lees: naar de rode kant van het spectrum opgeschoven). Het ammonia heeft licht van de erachterliggende quasar geabsorbeerd en in welke mate dat gebeurt hangt sterk af van de proton-electron verhouding. Op basis van de waarnemingen en vergelijkingen met absorptie door ammonia in andere plaatsen kon men een exacte meting doen van de proton-electronverhouding in B0218+367. En jullie raden het al: die blijkt ook 1836,15 te zijn. 🙂 Het artikel van Murphy en z’n kornuiten verscheen gisteren in het vakblad Science. Bron: Max Planck Instituut.