Doppelpulsar-System erfüllt Allgemeine Relativitätstheorie bis auf 0,05 Prozent genau Kosmischer „Doppel-Leuchtturm“ bestätigt Einstein - scinexx | Das Wissensmagazin
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Doppelpulsar-System erfüllt Allgemeine Relativitätstheorie bis auf 0,05 Prozent genau

Kosmischer „Doppel-Leuchtturm“ bestätigt Einstein

© John Rowe Animations

Mithilfe eines Paares von umeinander kreisenden Pulsaren haben Astronomen jetzt gezeigt, dass die theoretischen Berechnungen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein bis auf 0,05 Prozent genau und korrekt sind. Diesen bisher eindeutigsten Beleg veröffentlichten die Forscher jetzt in der Online-Ausgabe der Zeitschrift Science. Gleichzeitig ergeben sich aus den Messungen auch indirekte Belege für die Existenz der ebenfalls von Einstein postulierten Gravitationswellen.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Professor Michael Kramer vom Jodrell Bank Observatorium der Universität Manchester beobachtete das Doppelpulsar-System seit seiner Entdeckung im Jahr 2003 mit drei der leistungsstärksten Teleskope der Welt, dem Parkes Radioteleskop im australischen New South Wales, dem Lovell Teleskop in der Nähe von Manchester in Großbritannien und dem Robert C. Byrd Green Bank Teleskop im amerikanischen West Virginia.

Kosmische Leuchttürme im Doppelpack

Das Doppelpulsar-System PSR J0737-3039A und B ist das einzige bekannte System, bei dem sich zwei Radiopulsare gegenseitig umkreisen. Es liegt rund 2.000 Lichtjahre von der Erde entfernt in der Konstellation Puppis. Die beiden massereichen, extrem dichten Neutronensterne haben einen Durchmesser von nur jeweils rund 20 Kilometern, besitzen aber mehr Masse als die Sonne. Nur gut eine Million Kilometer auseinander liegend, benötigen sie nur 2,4 Stunden für eine Umkreisung. Ähnlich kosmischen Leuchttürmen emittieren beide Sterne starke fokussierte Strahlen von Radiowellen, die von der Erde aus als Radiopulse beobachtet werden können.

Die Astronomen maßen die leichten Variationen in den Ankunftszeiten der Radiopulse und stellten dabei fest, dass diese exakt den Voraussagen der Einsteinschen Relativitätstheorie für zwei einander umkreisende massereiche Objekte entsprachen. „Das ist der stringenteste Test, der je von der Allgemeinen Relativitätstheorie in Anwesenheit von sehr starken Gravitationsfeldern gemacht wurde“, erklärt Kramer. „Nur Schwarze Löcher zeigen stärkere Gravitationseffekte, aber sie sind natürlich viel schwerer zu beobachten.“

Raumzeit gekrümmt

© Shaun Amy

Aus den Radiopulsen können die Astronomen auch den Abstand der beiden Pulsare von ihrem gemeinsamen Schwerkraftzentrum ermitteln, wie Ingrid Stairs, Mitautorin der Publikation und Astronomin an der Universität von British Columbia, erklärt. „Der schwerere Pulsar ist näher am Massezentrum, oder Drehpunkt als der leichtere und daraus können wir das Verhältnis der beiden Massen errechnen.“

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Auch andere, von der Relativitätstheorie vorhergesagte Effekte lassen sich am Pulsarpaar beobachten: So ist die Raumzeit um den Pulsar B gekrümmt und die innere „Uhr“ des anderen Pulsars läuft langsamer, wenn er tiefer in das Gravitationsfeld seines Partners eintaucht. Ablesbar ist dies am Rhythmus der Pulse. Der Abstand zwischen den beiden Pulsaren schrumpft täglich um sieben Millimeter. Für die Astronomen ein Hinweis darauf, dass das System Gravitationswellen aussenden könnte – „Rippel“ in der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum ausbreiten.

Gravitationswellen indirekt belegt

„Diese Wellen müssen erst noch direkt nachgewiesen werden“, erklärt Dick Manchester von der nationalen australischen Teleskopeinrichtung ATNF, „Aber im Ergebnis müsste das Doppelpulsar-System Energie verlieren. Dieses wiederum ließe die beiden Neutronensterne sich in einer Spirale aufeinander zu bewegen – um genau den Betrag, den wir auch beobachtet haben. Daher geben uns unsere Beobachtungen einen indirekten Beleg für die Existenz der Gravitationswellen.“

Die Astronomen hoffen, dass sie in den nächsten Jahren noch genauere Messungen in diesem System durchführen können, um auch andere Eigenschaften wie die Trägheit eines Neutronensterns zu ermitteln. „Diese Messungen könnten sehr schwierig werden, aber wenn wir es mit einer Präzision von nur 30 Prozent schaffen, könnten wir Klarheit darüber erhalten, welche der vielen unterschiedlichen Vorstellungen über die Natur der Neutronenstern-Materie nun stimmt“, erklärt George Hobbs, Projektteilnehmer der nationalen australischen Teleskopeinrichtung ATNF.

(CSIRO, 18.09.2006 – NPO)

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