Wir haben eine neue Obergrenze für die Lichtmasse.
Messungen pulsierender Sterne in der Milchstraße und mysteriöser Radiosignale aus anderen Galaxien zufolge kann ein Lichtteilchen – ein sogenanntes Photon – nicht schwerer sein als 9,52 × 10-46 Kilogramm.
Es handelt sich zwar um eine winzige Grenze, aber die Entdeckung, dass Licht überhaupt eine Masse hat, hätte erhebliche Auswirkungen auf unsere Interpretation des Universums um uns herum und auf unser Verständnis der Physik.
Photonen werden typischerweise als masselose Teilchen beschrieben. Diese diskrete Energiemengen mit konstanter Geschwindigkeit durch die Raumzeit rasen, ohne im Vakuum beschleunigen oder verlangsamen zu können. Diese konstante Geschwindigkeit impliziert Masselosigkeit, und es gibt keine Beweise für das Gegenteil.
Wir wissen jedoch nicht mit absoluter Sicherheit, dass Photonen masselos sind.
Eine von Null verschiedene Masse hätte tiefgreifende Folgen. Sie würde Einsteins spezieller Relativitätstheorie und Maxwells elektromagnetischer Theorie widersprechen, wahrscheinlich zu neuer Physik führen und möglicherweise einige große Fragen über das Universum beantworten (wobei dabei aber noch viele weitere aufgeworfen würden).
Selbst wenn ein Photon Masse hätte, müsste es extrem klein sein, um keine größeren Auswirkungen auf das Erscheinungsbild des Universums zu haben. Das heißt, uns fehlen die Mittel, um es direkt zu messen.
Aber wir können indirekte Messungen durchführen, die uns eine Obergrenze für diese hypothetische Masse liefern, und genau das hat eine Gruppe von Astronomen getan.
Ein Team der Sichuan University of Science & Engineering, der Chinese Academy of Sciences und der Nanjing University analysierte die vom Parkes Pulsar Timing Array gesammelten Daten sowie Daten zu schnellen Radioausbrüchen aus einer Reihe von Quellen, um die mögliche Masse des Lichts zu ermitteln.
Ein Pulsar-Timing-Array ist eine Anordnung von Radioteleskopantennen zur Überwachung von Neutronensternen, die pulsierende elektromagnetische Strahlung auf extrem präzisen Millisekundenpulsaren aussenden. Schnelle Radioblitze sind extrem starke Lichtblitze unbekannter Herkunft, die in riesigen intergalaktischen Abgründen des Weltraums entdeckt werden.
Die von den Forschern untersuchte Eigenschaft ist als Dispersionsmaß bekannt und eine der wichtigsten Eigenschaften von Pulsaren und schnellen Radioblitzen. Es bezieht sich darauf, wie stark ein eng gepulster Radiolichtstrahl von den freien Elektronen zwischen uns und der Lichtquelle gestreut wird.
Wenn Photonen Masse hätten, würde ihre Ausbreitung durch den nicht-vakuumierten Raum, der von Plasma bevölkert ist, sowohl von der Masse als auch von den freien Elektronen im Plasma beeinflusst werden. Dies würde zu einer Verzögerungszeit führen, die proportional zur Masse des Photons ist.
Ein Pulsar-Timing-Array sucht nach Verzögerungen im Timing von Pulsarimpulsen relativ zueinander. Insbesondere innerhalb der ultrabreiten Bandbreite können die Dispersionseffekte minimiert werden, sodass die Forscher berechnen können, wie viel Verzögerung durch die hypothetische Photonenmasse verursacht werden könnte.
Gleichzeitig kann die Entstreuung der Signale schneller Radioblitze auch eine Verzögerung proportional zur Photonenmasse offenbaren.
Durch sorgfältiges Studium dieser Daten konnte das Team eine Obergrenze von 9,52 × 10 ermitteln.-46 Kilogramm (oder, in äquivalenter Energie, 5,34 × 10-10 Elektronenvolt c-2). Beachten Sie, dass dies nicht bedeutet, dass das Photon Masse hat; es bedeutet nur, dass wir eine neue Grenze haben, auf die die Masse fallen könnte, wenn sie existierte.
“Dies ist das erste Mal”, schreiben die Autoren, “dass die Wechselwirkung zwischen einer von Null verschiedenen Photonenmasse und dem Plasmamedium bei der Ausbreitung des Photons durch das Plasmamedium berücksichtigt und berechnet wurde.”
Das ist zwar nicht viel niedriger als eine 2023 veröffentlichte Messung, aber es ist eine Verfeinerung. Das bedeutet, dass Wissenschaftler, die die Auswirkungen einer hypothetischen Photonenmasse untersuchen, über einen präziseren Bereich verfügen, in dem sie arbeiten können.
Die Studie zeige auch, so die Astronomen, dass hochpräzise Radioteleskope erforderlich seien. Es ist unwahrscheinlich, dass wir in naher Zukunft in der Lage sein werden, ein Photon zu wiegen, aber durch die Erlangung von Daten von gleichbleibend hoher Qualität könnten wir die Messung und damit auch ihre möglichen Auswirkungen auf das uns umgebende Universum weiter eingrenzen.
Die Studie wurde veröffentlicht in Das Astrophysikalische Journal.