Manchmal müssen wir zum Himmel schauen, um unseren eigenen Planeten zu verstehen. Im 17. Jahrhundert führte Johannes Keplers Erkenntnis, dass sich Planeten auf elliptischen Bahnen um die Sonne bewegen, zu einem tieferen Verständnis der Gravitation, der Kraft, die die Gezeiten der Erde bestimmt. Im 19. Jahrhundert untersuchten Wissenschaftler die Farbe des Sonnenlichts, dessen charakteristische Eigenschaften dazu beitrugen, die Quantenstruktur der Atome aufzudecken, aus denen der Stern besteht – und aller Materie um uns herum. Im Jahr 2017 zeigte der Nachweis von Gravitationswellen, dass ein Großteil des Goldes, Platins und anderer schwerer Elemente auf unserem Planeten bei den Kollisionen von Neutronensternen geschmiedet wird.
Michael Murphy studiert Sterne in dieser Tradition. Als Astrophysiker an der Swinburne University of Technology in Australien analysiert Murphy die Farbe des Lichts, das von sonnenähnlichen Sternen in Temperatur, Größe und Elementgehalt ausgestrahlt wird – „Solar Twins“, wie sie genannt werden. Er möchte wissen, was ihre Eigenschaften über die Natur der elektromagnetischen Kraft verraten, die Protonen und Elektronen anzieht, um Atome zu bilden – die sich dann zu Molekülen verbinden, um fast alles andere zu bilden.
Insbesondere möchte er wissen, ob sich diese Kraft im gesamten Universum – oder zumindest zwischen diesen Sternen – einheitlich verhält. In einem kürzlich erschienenen Papier in Wissenschaftnutzten Murphy und sein Team Sternenlicht, um die sogenannte Feinstrukturkonstante zu messen, eine Zahl, die die Stärke der elektromagnetischen Kraft festlegt. „Indem wir die Sterne miteinander vergleichen, können wir herausfinden, ob ihre grundlegende Physik unterschiedlich ist“, sagt Murphy. Wenn ja, deutet das darauf hin, dass etwas mit unserem Verständnis von Kosmologie nicht stimmt.
Die Standardtheorie der Physik, bekannt als Standardmodell, geht davon aus, dass diese Konstante überall gleich sein sollte – genau wie Konstanten wie die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum oder die Masse des Elektrons. Durch die Messung der Feinstrukturkonstante in vielen Umgebungen stellt Murphy diese Annahme in Frage. Wenn er Diskrepanzen findet, könnte es den Forschern helfen, das Standardmodell zu ändern. Sie wissen bereits, dass das Standardmodell unvollständig ist, da es die Existenz dunkler Materie nicht erklärt.
Um diese Konstante zu verstehen, denken Sie an die elektromagnetische Kraft in Analogie zur Gravitationskraft, sagt Murphy. Die Stärke des Gravitationsfeldes eines Objekts hängt von seiner Masse ab. Aber es hängt auch von einer Zahl ab, die als bekannt ist G, die Gravitationskonstante, die unabhängig vom Objekt gleich bleibt. Ein ähnliches mathematisches Gesetz schreibt die elektromagnetische Kraft zwischen zwei geladenen Objekten vor. Die beiden ziehen sich aufgrund ihrer elektrischen Ladung und ihrer Entfernung voneinander an oder stoßen sich gegenseitig ab. Aber diese Kraft hängt auch von einer Zahl ab – der Feinstrukturkonstante – die unabhängig vom Objekt gleich bleibt.
Alle bisherigen Experimente haben gezeigt, dass diese Konstante in unserem Universum 0,0072973525693 entspricht, mit einer Unsicherheit von weniger als einem Teil pro Milliarde. Aber Physiker hielten diese Zahl lange für ein Rätsel, weil sie völlig zufällig zu sein scheint. Kein anderer Teil der Physiktheorie erklärt, warum es dieser Wert ist und warum das elektromagnetische Feld so stark ist, wie es ist. Trotz des Wortes „Konstante“ im Namen wissen die Physiker auch nicht, ob die Feinstrukturkonstante überall im Universum für alle Zeiten den gleichen Wert hat. Der Physiker Richard Feynman beschrieb es berühmt als „eine magische Zahl, die uns ohne Verständnis begegnet“. Murphy drückt es so aus: „Wir verstehen nicht wirklich, woher diese Zahlen kommen, obwohl sie hinten in Lehrbüchern stehen.“