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Doppelpulsar bestätigt Einstein – siebenfach

Astronomen überprüfen gleich sieben Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie

Doppelpulsar
Ein System aus zwei sich eng umkreisenden Pulsaren hat die Überprüfung von gleich sieben Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie ermöglicht. © Michael Kramer/ MPI für Radioastronomie

Sieben auf einen Streich: Ein System aus zwei Pulsaren hat es Astronomen ermöglicht, gleich sieben Kernaussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu überprüfen. Darunter sind Grundannahmen wie die Zeitdehnung, die Rotverschiebung des Lichts oder die Umwandlung von Masse in Energie, aber auch das „Mitschleifen“ der Raumzeit durch schnelle Rotation. Einsteins Theorien wurden jedoch erneut in allen Aspekten bestätigt.

Ob die Ablenkung des Lichts und die Dehnung der Zeit durch große Massen, das Äquivalenzprinzip, die gravitative Rotverschiebung oder die Umwandlung von Masse in Energie – die Theorien Albert Einsteins bilden heute das Fundament unseres physikalischen Weltbilds. Immer wieder haben Astronomen und Physiker die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf die Probe gestellt und sie selbst unter extremen Bedingungen überprüft. Bisher hielten sie allen Tests stand.

Radioteleskope
Diese sieben Radioteleskope waren beteiligt: Effelsberg, Nançay, Westerbork, Parkes, Jodrell Bank, VLBA, Green Bank. © N. Junkes (100-m), Letourneur (NRT), ASTRON (WSRT), CSIRO (Parkes), A. Holloway (JBO), NRAO/AUI/NSF (VLBA), NSF/AUI/GBO (GBT).

Einzigartiges System aus zwei Pulsaren

Jetzt liegen auch die Ergebnisse des bislang rigorosesten Tests vor: 16 Jahre lang haben Astronomen um Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie dafür ein einzigartiges System beobachtet – ein Paar zweier sich eng umkreisender Radio-Pulsare. Es ist das einzige bisher bekannte System dieser Art. 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 Koautor Dick Manchester von der australischen Forschungsorganisation CSIRO.

Gravitationswellen, Zeitdehnung und Präzession

Der erste am Doppelpulsar überprüfbare Aspekt der Einsteinschen Theorie 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.

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Demnach schrumpft das System um sieben Millimeter pro Tag. Dieser Wert stimmt auf 0,013 Prozent genau mit der Allgemeinen Relativitätstheorie überein. „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 1.000-mal besser als es derzeit mit Gravitationswellendetektoren auf der Erde möglich ist“, berichtet Kramer.

Auch die gravitationsbedingte Zeitdehnung, eine weitere Grundannahme der Relativitätstheorie, konnte das Forschungsteam bestätigen. Die regelmäßigen Pulse der beiden Sternenreste erlaubten es zudem, die gravitationsbedingte Präzession der Pulsarsorbits 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.

Ablenkung, Dehnung und Verzögerung des Lichts

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.“

E=mc2 und mitgeschleifte Raumzeit

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 – dies ist ein Test von Einsteins Formel E=mc2: „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 Effekt liefert wertvolle Informationen über Größe und Zusammensetzung des Neutronensterns.

Alternative Theorien eingeschränkt

Insgesamt stellen diese Messungen einen der bisher präzisesten und umfassendsten Tests 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.“

Die Ergebnisse der aktuellen Messungen tragen auch dazu bei, einige alternative Gravitationstheorien einzugrenzen, die Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie unter extremen Schwerkraftbedingungen postulieren. Anhand der Präzession der Pulsarorbits haben die Astronomen den möglichen Gültigkeitsraum einiger dieser Theorien deutlich eingeschränkt, wie sie berichten.

Die Suche nach Lücken geht weiter

Damit haben sich die vor mehr als hundert Jahren Albert Einstein aufgestellten Gesetzmäßigkeiten erneut bewährt. Bisher haben seine Theorien sämtliche Tests bestanden. 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 subtile Effekte dafür berücksichtigt werden müssen. Und vielleicht werden wir eines Tages wirklich eine Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie finden…“ (Physical Review X, 2021; doi: 10.1103/PhysRevX.11.041050)

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie, American Physical Society (APS), CSIRO, University of East Anglia

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