Stern bestätigt Einstein - Gravitations-Rotverschiebung am Milchstraßenzentrum stützt die Relativitätstheorie - scinexx.de
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Stern bestätigt Einstein

Gravitations-Rotverschiebung am Milchstraßenzentrum stützt die Relativitätstheorie

Einsteintest
Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie müsste das Licht eines Sterns beim Flug durch die Gravitationssenke eines Schwarzen Lochs ins Rote verschoben werden. © Nicole R. Fuller/ National Science Foundation

Einstein-Test am Schwarzen Loch: Die Allgemeine Relativitätstheorie hat sich erneut als korrekt erwiesen – selbst unter Extrembedingungen. Testobjekt dafür war ein Stern, der nahe am zentralen Schwarzen Loch der Milchstraße vorbeizog. Sein Licht liefert die bisher umfassendste Bestätigung für die Gravitations-Rotverschiebung – die Dehnung des Lichts durch die Schwerkraftwirkung großer Massen, wie die Astronomen im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Vor mehr als 100 Jahre sagte Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie voraus, dass die Schwerkraftwirkung massereicher Objekte nicht nur die Raumzeit krümmt, sondern auch das Licht dehnt. Weil das Licht Energie verliert, wenn es diese Schwerkraftsenke wieder verlässt, verschiebt sich seine Wellenlänge in den roten, energieärmeren Bereich. Diese Gravitations-Rotverschiebung haben Astronomen bereits bei Objekten im Sonnensystem und bei fernen Galaxienhaufen vermessen und bestätigt.

orbit S2
Umlaufbahn des Sterns S2 (gelb) und einiger anderer Sterne im Umfeld des zentralen Schwarzen Lochs der Milchstraße. © Keck/ UCLA Galactic Center Group

Naher Vorbeiflug am Schwarzen Loch

Doch es blieb die Frage, ob Einsteins Vorhersagen auch unter Extrembedingungen gültig bleiben – beispielsweise in der starken Gravitation an einem supermassereichen Schwarzen Loch. Die perfekte Chance, dies zu testen, bot sich den Astronomen im Mai 2018. Denn da passierte der Stern S0-2, kurz S2, das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße in nur rund 14 Milliarden Kilometer Abstand – das entspricht dem dreifachen Abstand des Planeten Neptun von der Sonne.

Diese Chance nutzten zwei Forschergruppen. Sie verfolgten anhand der Lichtspektren von S2, wie sich die Schwerkraft des Schwarzen Lochs Sagittarius A* auf das Licht des Sterns auswirkte. Bereits im Juli 2018 veröffentlichen die Forscher der GRAVITY-Kollaboration ihre Ergebnisse – und bestätigten Einsteins Theorie. Allerdings: Ihre Studie erfasste nur einen zeitlich relativ kurzen Ausschnitt der insgesamt 16 Jahre dauernden Umkreisung von S2 ums Schwarze Loch.

24 Jahre lang verfolgt

Jetzt liegen auch die Ergebnisse der zweiten, umfassenderen Überprüfung vor. „Wenn wir Sterne über ihren kompletten Orbit verfolgen, bietet uns dies eine umfassendere Möglichkeit, fundamentale Physik zu testen“, erklärt Andrea Ghez von der University of California in Los Angeles. Sie und ihr Team haben den Orbit von S2 über 24 Jahre hinweg verfolgt – dies entspricht rund eineinhalb Umkreisungen des Schwarzen Lochs.

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Ihre Daten erfassen sowohl die nächste Annäherung, als auch die Bahnpunkte, an denen der Stern seine größte und kleinste Geschwindigkeit entlang der Sichtlinie erreicht. „Wir haben damit seinen kompletten Orbit in allen drei Dimensionen“, so Ghez. Die Astronomen führten ihre Spektralmessungen zudem mit den Teleskopen des W.M. Keck-Observatoriums auf Hawaii durch – und damit mit anderen Instrumenten als die GRAVITY-Kollaboration.

Einstein behält Recht

Das Ergebnis: „Unsere Beobachtungen stimmen mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie überein“, berichtet Ghez. Demnach führte der Schwerkrafteinfluss des Schwarzen Lochs beim Stern S2 zu einer Rotverschiebung von 0,88. „Das ist mit der Signifikanz von einem Sigma konsistent mit der Allgemeinen Relativitätstheorie, schließt aber die Newtonsche Theorie um mehr als fünf Sigma aus“, berichten die Astronomen. Gleichzeitig liefern ihre Werte eine unabhängige Bestätigung der Messungen der GRAVITY-Kollaboration.

„Einstein behält demnach Recht – zumindest bis jetzt“, sagt Ghez. Allerdings ist auch die Allgemeine Relativitätstheorie nicht perfekt. Denn es gibt einige Phänomene im Kosmos, die Einsteins Gleichungen nicht vollständig beschreiben können. Dazu gehören die Bedingungen innerhalb eines Schwarzen Lochs ebenso wie viele Phänomen der Quantenphysik. Unter anderem deshalb schließen Physiker bis heute nicht aus, dass es eine Physik jenseits des gängigen Standardmodells gibt.

Vorerst allerdings hat die mehr als 100 Jahre alte Theorie Einsteins einmal mehr ihre Gültigkeit und Robustheit bewiesen. (Science, 2019; doi: 10.1126/science.aav8137)

Quelle: University of California Los Angeles

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