Und Einstein hat doch wieder recht

Die allgemeine Relativitätstheorie übersteht eine Reihe präziser Tests in einem extremen Doppelsternsystem aus zwei Pulsaren

Ein internationales Team von Forschenden aus zehn Ländern hat in einem 16 Jahre dauernden Experiment Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit einigen der bisher härtesten Tests überprüft. Die Gruppe unter der Leitung von Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn untersuchte ein einzigartiges Sternpaar mit extremen Eigenschaften, zwei sogenannte Pulsare, die einander in einem Doppelsternsystem umkreisen. Bei den Messungen waren sieben Radioteleskope auf der ganzen Welt beteiligt. Dabei traten neue relativistische Effekte zutage, die zwar erwartet, nun aber zum ersten Mal gesehen wurden. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie stimmt mit den Beobachtungen zu mehr als 99,99 Prozent überein.

Mehr als 100 Jahre, nachdem Albert Einstein seine Gravitationstheorie veröffentlicht hat, bemühen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf der ganzen Welt weiterhin, mögliche Grenzen der allgemeinen Relativitätstheorie aufzuzeigen. Die Beobachtung einer Abweichung von den Vorhersagen dieser Theorie wäre eine wichtige Entdeckung. Sie würde das Fenster zu einer neuen Physik öffnen und über unser derzeitiges theoretisches Verständnis des Universums hinausgehen.

„Wir haben ein System mit zwei Sternen von extrem hoher Dichte untersucht, das ein einzigartiges Labor darstellt, um Einsteins Vorhersagen in Anwesenheit sehr starker Gravitationsfelder zu testen“, sagt Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. „Zu unserer Freude konnten wir einen Eckpfeiler der allgemeinen Relativitätstheorie, nämlich die Energieabstrahlung von Gravitationswellen, mit einer 1000-fach höheren Genauigkeit messen, als es derzeit mit Detektoren auf der Erde möglich ist.“

Laut Kramer stimmen die Beobachtungen nicht nur exzellent mit der Theorie überein, sondern zeigen auch Effekte, die vorher nicht zugänglich waren. Ingrid Stairs von der University of British Columbia in Vancouver nennt dafür ein Beispiel: „Wir verfolgten die Ausbreitung von Radiophotonen von einem Pulsar und untersuchten deren Bewegung im starken Gravitationsfeld eines Begleitpulsars.“

Dabei sahen die Forschenden zum ersten Mal, dass das Licht nicht nur aufgrund einer starken Krümmung der Raumzeit um den Begleiter verzögert, sondern auch um den kleinen Winkel von nur 0,04 Grad abgelenkt wurde. „Niemals zuvor ist ein solches Experiment bei einer so starken Raumzeitkrümmung durchgeführt worden“, so Stairs.

Animation des Doppelpulsar-Systems PSR J0737-3039 A/B und seiner Blickrichtung von der Erde aus. Das System – bestehend aus zwei aktiven Radiopulsaren – ist von der Erde aus gesehen „edge-on“, das heißt, die Neigung der Bahnebene relativ zu unserer Sichtlinie beträgt nur etwa 0,6 Grad.

Tanz der Pulsare

Animation des Doppelpulsar-Systems PSR J0737-3039 A/B und seiner Blickrichtung von der Erde aus. Das System – bestehend aus zwei aktiven Radiopulsaren – ist von der Erde aus gesehen „edge-on“, das heißt, die Neigung der Bahnebene relativ zu unserer Sichtlinie beträgt nur etwa 0,6 Grad.

Dieses kosmische Labor, das unter dem Namen „Doppelpulsar“ bekannt ist, wurde von Mitgliedern des Teams im Jahr 2003 entdeckt. Es besteht aus zwei Pulsaren – also ausgebrannten Sternleichen mit extrem hoher Dichte, die rasch um ihre Achse rotieren und dabei Radiostrahlung aussenden. Überstreicht der Strahlungskegel eines solchen Neutronensterns die Erde, scheint er zu blinken wie ein kosmischer Leuchtturm und seine Strahlung gleichsam zu „pulsieren“. Daher die Bezeichnung Pulsar.

Die beiden Pulsare umkreisen einander in nur 147 Minuten mit Geschwindigkeiten von etwa einer Million Kilometer pro Stunde. Der eine Pulsar dreht sich sehr schnell, etwa 44-mal pro Sekunde. Der Begleiter ist jung und hat eine Rotationsperiode von 2,8 Sekunden. Die Bewegung der beiden Sterne umeinander lässt sich als nahezu perfektes Labor zur Untersuchung von Gravitationstheorien in extremer Umgebung nutzen.

Jeder der Pulsare ist etwa 30 Prozent massereicher als unsere Sonne, besitzt aber nur einen Durchmesser von etwa 24 Kilometern. „Laufen solche Objekte schnell umeinander, können wir insgesamt sieben Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie testen“, sagt Dick Manchester von der nationalen Wissenschaftsagentur CSIRO in Australien. Dank der Präzision des Experiments ließ sich unter anderem der Effekt der sogenannten Zeitdilatation messen, der die Uhren in Gravitationsfeldern langsamer gehen lässt.

„Wir müssen sogar Einsteins berühmte Gleichung E = mc2 berücksichtigen, wenn wir die Wirkung der elektromagnetischen Strahlung des sich so schnell drehenden Pulsars auf die Bahnbewegung untersuchen“, sagt Manchester. „Diese Strahlung entspricht einem Massenverlust von acht Millionen Tonnen pro Sekunde.“ Das scheint viel zu sein, aber es ist nur ein winziger Bruchteil – drei Teile von tausend Milliarden Milliarden der Gesamtmasse des Pulsars.

Animation der Messung der Shapiro-Verzögerung im Doppelpulsar. Wenn ein sich schnell drehender Pulsar um das gemeinsame Massenzentrum kreist, breiten sich die emittierten Photonen entlang der gekrümmten Raumzeit des gefangenen Pulsars aus und werden daher verzögert.

Shapiro-Verzögerung

Animation der Messung der Shapiro-Verzögerung im Doppelpulsar. Wenn ein sich schnell drehender Pulsar um das gemeinsame Massenzentrum kreist, breiten sich die emittierten Photonen entlang der gekrümmten Raumzeit des gefangenen Pulsars aus und werden daher verzögert.

Zudem haben die Forschenden mit einer Genauigkeit von einem Teil in einer Million nachweisen können, dass die Bahn ihre Ausrichtung ändert. Das ist ein relativistischer Effekt, der von der Merkurbahn bekannt ist, hier aber 140.000-fach stärker auftritt als beim innersten Planeten unseres Sonnensystems. Das Team erkannte, dass bei dieser Genauigkeit auch die Auswirkungen der Rotation eines Pulsars auf die umgebende Raumzeit zu berücksichtigen sind, die mit dem rotierenden Pulsar gleichsam mitgeschleift wird.

Dieses Phänomen ist unter dem Namen Lense-Thirring-Effekt oder Frame-Dragging bekannt. „In unserem Experiment bedeutet es, dass wir die innere Struktur eines Pulsars als Neutronenstern betrachten müssen“, sagt Norbert Wex vom Bonner Max-Planck-Institut, ein weiterer Autor der Studie. Die Messungen ermöglichten es zum ersten Mal, eine Technik namens Pulsar-Timing zu nutzen, um über die präzise Nachverfolgung der Umdrehung eines Neutronensterns valide Aussagen über dessen Größe ableiten zu können.

Das Verfahren des Pulsar-Timings wurde mit sorgfältigen interferometrischen Messungen des Pulsarsystems kombiniert, um seine Entfernung mit hochauflösender Bildgebung zu bestimmen. Das Ergebnis beträgt 2400 Lichtjahre, mit einem Fehler von nur acht Prozent. Laut Adam Deller von der Swinburne-Universität in Australien, macht die Kombination verschiedener, sich ergänzender Beobachtungstechniken den Wert des Experiments aus. So etwa wurden neben der erwähnten Pulsarzeitmessung und der Interferometrie auch die Informationen aus den Effekten des interstellaren Mediums berücksichtigt.

„Unsere Ergebnisse sind eine gute Ergänzung zu anderen experimentellen Studien, welche die Schwerkraft unter anderen Bedingungen testen oder unterschiedliche Effekte beobachten wie Gravitationswellendetektoren oder das Event-Horizon-Teleskop“, sagt Paulo Freire vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Nach den Worten von Michael Kramer habe man mit den Messungen einen „beispiellosen Grad an Präzision erreicht“. Die Arbeit habe gezeigt, wie genau solche Experimente durchgeführt und welch subtile Effekte dafür berücksichtigt werden müssen. „Und vielleicht werden wir eines Tages wirklich eine Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie finden.“

NJ / HOR

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