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Astronomie|Physik

Einsteins Relativitätstheorie besteht Pulsartest

Pulsare
Ein Doppelpulsar als Testfeld für Einsteins Theorien. (Bild: Michael Kramer/ MPI für Radioastronomie)

Die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein bildet das Fundament unseres physikalischen Weltbilds. Jetzt haben die gut 100 Jahre alten Vorhersagen des berühmten Physikers einen ihrer umfassendsten Tests bestanden. Ein System aus zwei einander umkreisenden Pulsaren hat es Astronomen ermöglicht, gleich sieben Kernaussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu überprüfen. Dafür beobachteten die Forscher das einzigartige System über 16 Jahre hinweg mit sieben über die Welt verteilten Radioteleskopen. Das Ergebnis: Einsteins Theorien wurden erneut in allen Aspekten bestätigt.

Mehr als 100 Jahre ist es her, dass Albert Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie einige Grundannahmen der damaligen Physik umstieß und mit der Raumzeit eine ganz neue Vorstellung der Gravitation etablierte. Seither bildeten seine Gesetzmäßigkeiten das Fundament des physikalischen Weltbilds. Sie erklären unter anderem, warum Licht in der Nähe großer Massen abgelenkt und gedehnt wird, warum die Zeit unter dem Einfluss der Gravitation langsamer läuft und dass sich Masse in Energie umwandeln kann. Allerdings gibt es einige Phänomene im Kosmos, die sich nicht allein mit Einsteins Theorien erklären lassen. Unter anderem deshalb versuchen Wissenschaftler, mögliche Grenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie auszuloten. Die Beobachtung einer Abweichung von den Vorhersagen dieser Theorie wäre eine wichtige Entdeckung, die ein Fenster zu einer neuen Physik öffnen würde. Bisher allerdings hat die Relativitätstheorie allen Tests und Überprüfungen standgehalten.

Sieben Grundannahmen auf dem Prüfstand

Die Ergebnisse eines der bisher umfassendsten Tests haben nun Astronomen um Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie veröffentlicht. Dafür beobachtete das Team 16 Jahre lang mit sieben verkoppelten Radioteleskopen ein einzigartiges System aus zwei sich eng umkreisenden Radio-Pulsaren. Die starke Radiowellen ausstrahlenden Neutronensterne sind massereicher als die Sonne, aber nur rund 24 Kilometer groß. Sie umkreisen einander mit rund einer Million Kilometern pro Stunde und drehen sich dabei noch um sich selbst. Der Doppelpulsar PSR J0737-3039 A/B vereint damit enorme Massen auf engem Raum und bringt noch dazu Bewegung mit ins Spiel. „Eine derart schnelle Umlaufbewegung von solch kompakten Objekten ermöglicht es uns, eine Reihe von Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu testen – insgesamt sind es sieben Stück“, erklärt Co-Autor Dick Manchester von der australischen Forschungsorganisation CSIRO.

Die erste am Doppelpulsar überprüfte Grundannahme ist der Energieverlust, den das System durch die Abstrahlung von Gravitationswellen erleidet. Dieser führt dazu, dass die Umlaufbahnen der beiden Neutronensterne im Laufe der Zeit enger werden und sich dadurch ihre Umlaufzeiten verkürzen. Diese Verkürzung konnten die Astronomen anhand der gepulsten Radiostrahlung der beiden Pulsare beobachten. „Zu unserer Freude konnten wir diesen Eckpfeiler der Einsteinschen Theorie mit einer Genauigkeit testen, die 25-mal besser ist als bei dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Hulse-Taylor-Pulsar und 1000-mal besser als es derzeit mit Gravitationswellendetektoren auf der Erde möglich ist“, berichtet Kramer.

Gravitationseffekt auf Licht, Zeit und Umlaufbahnen

Die regelmäßigen Pulse der beiden Sternenreste erlaubten es zudem, die gravitationsbedingte Präzession der Pulsarorbits mit einer Genauigkeit von eins zu einer Million nachzuweisen. Dieser relativistische Effekt ist auch von der Merkurbahn bekannt. Beim Planeten sorgt er dafür, dass sich die sonnennächsten und sonnenfernsten Punkte der Bahn im Laufe der Zeit rosettenartig verschieben. Auch die gravitationsbedingte Zeitdehnung, eine weitere Grundannahme der Relativitätstheorie, konnte das Forschungsteam bestätigen.

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Ebenfalls bestätigt wurden mehrere Effekte der Gravitation auf das Licht: Die von den Pulsaren abgestrahlten Radiowellen zeigten die erwartete Rotverschiebung und damit Dehnung durch die enorme Schwerkraft der Pulsare. Außerdem konnte das Team die sogenannte Shapiro-Verzögerung nachweisen – die zusätzliche Zeit, die die Radiowellen benötigen, um aus der tiefen Raumzeitsenke hinaus zu kommen. Auch einen ganz neuen von der Relativitätstheorie vorhergesagten Effekt haben die Astronomen erstmals nachgewiesen: „Wir sehen zum ersten Mal, dass das Licht nicht nur aufgrund einer starken Krümmung der Raumzeit um den Begleiter verzögert wird, sondern dass das Licht auch um einen kleinen Winkel von 0,04 Grad abgelenkt wird“, erklärt Koautorin Ingrid Stairs von der University of British Columbia in Vancouver. „Nie zuvor wurde ein solches Experiment bei einer so starken Raumzeitkrümmung durchgeführt.“

Die Rotation der Pulsare – einer rotiert rund 44-mal pro Sekunde, der zweite einmal alle 2,8 Sekunden – ermöglichten weitere Tests. So ließ sich ermitteln, wie viel Masse der schnell rotierende Neutronenstern durch seine intensive elektromagnetische Strahlung verliert: „Diese Strahlung entspricht dem Massenverlust von acht Millionen Tonnen pro Sekunde“, berichtet Manchester. „Das erscheint zwar viel, ist aber nur ein winziger Bruchteil der Gesamtmasse des Pulsars.“ Ein weiterer von Einstein vorhergesagter Effekt ist die Wirkung der Rotation des Pulsars auf die umgebende Raumzeit: Sie wird von ihm leicht mitgeschleift. „Physiker bezeichnen dies als Lense-Thirring-Effekt oder Frame-Dragging“, erklärt Kramers Kollege Norbert Wex. Die Messung dieses Effekts liefert wertvolle Informationen über Größe und Zusammensetzung des Neutronensterns.

Alle Tests bestanden

Insgesamt stellen diese Messungen einen besonders präzisen und umfassenden Test der Allgemeinen Relativitätstheorie unter kosmischen Bedingungen dar. „Wir haben einen Grad von Präzision erreicht, der beispiellos ist“, sagt Kramer. Sein Kollege Paulo Freire erklärt: „Unsere Ergebnisse sind eine gute Ergänzung zu anderen experimentellen Studien, die die Schwerkraft unter anderen Bedingungen testen oder unterschiedliche Effekte beobachten, wie Gravitationswellendetektoren oder das Event-Horizon-Teleskop.“ Damit haben sich die vor mehr als hundert Jahren Albert Einstein aufgestellten Gesetzmäßigkeiten erneut bewährt.

Trotzdem werden Physiker weiterhin nach Lücken und Abweichungen suchen, denn es gibt einige Phänomene im Kosmos, die sich durch Einstein allein nicht erklären lassen. Dazu gehören unter anderem die Dunkle Energie und die beschleunigte Expansion des Alls. „Künftige Experimente mit noch größeren Teleskopen können und werden noch weiter gehen“, sagt Kramer. „Unsere Arbeit hat gezeigt, wie genau solche Experimente durchgeführt werden müssen und welch subtilen Effekte dafür berücksichtigt werden müssen. Und vielleicht werden wir eines Tages wirklich eine Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie finden…“

Quelle: Michael Kramer (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn) et al., Physical Review X, doi: 10.1103/PhysRevX.11.041050

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