Im November 1915 hält Albert Einstein vier Vorträge an der Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin. In diesen Vorträgen stellt er seinem Publikum die Allgemeine Relativitätstheorie vor, an der er jahrelang getüftelt hatte. Mit dieser Theorie kann Einstein beschreiben, wie Materie, Raum und Zeit wechselwirken. Dabei schafft er kurzerhand eine Kraft unseres Universums ab: die Schwerkraft.

Bei Isaac Newton war alles noch viel einfacher gewesen: Laut dem Briten ist die Schwerkraft, wie der Name schon sagt, eine Kraft. Diese wirkt zum Beispiel zwischen zwei Massen anziehend. Mit den Newtonschen Gravitationsgesetzen ließ sich zunächst wunderbar erklären, warum ein Apfel vom Baum fällt oder warum die Erde um die Sonne kreist.

Doch mit der Allgemeinen Relativitätstheorie bereitet Einstein der Schwerkraft nun ein Ende: Laut ihm handelt es sich dabei lediglich um einen Effekt der gekrümmten Raumzeit. Frei nach dem Physiker John Wheeler übersetzt könnte man die Allgemeine Relativitätstheorie so zusammenfassen: Die Materie sagt der Raumzeit, wie sie sich zu krümmen hat, und die gekrümmte Raumzeit sagt der Materie, wie sie sich zu bewegen hat. Ein Apfel fällt also nicht deshalb vom Baum, weil er die Effekte der Schwerkraft verspürt, sondern weil er dem kürzesten Weg in der gekrümmten Raumzeit folgt.

Doch war die Allgemeine Relativitätstheorie im Jahr 1915 nicht nur konzeptionell ungeheuerlich, sondern auch mathematisch: Ihre Gleichungen sind so kompliziert, dass Einstein selbst zunächst davon überzeugt ist, dass es unmöglich sei, exakte Lösungen für sie zu finden.

Wie praktisch, dass sich bei einem seiner Vorträge ein Mensch befand, dem genau das nur wenig später gelingen sollte – und das, während er als Soldat im Ersten Weltkrieg an der Front stationiert war. Karl Schwarzschild war Physiker und Astronom. Außerdem beherrschte er praktischerweise genau jene mathematischen Fähigkeiten, die benötigt wurden, um eine exakte Lösung für die Einstein’schen Feldgleichungen zu finden. Diese Gleichungen brachten jedoch einen seltsamen Aspekt zu Tage, der zeigte: Es könnte so etwas wie Schwarze Löcher geben.

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• Schwarze Löcher

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Unser schönes Universum, so majestätisch, so… ewig und unveränderlich? Als Albert Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts seine Allgemeine Relativitätstheorie auf das gesamte Universum anwendete, gefiel ihm das Ergebnis ganz und gar nicht: Denn seine Theorie sagte ihm, dass das Universum entweder expandiert oder kollabiert, kurzum, dass es dynamisch sei. Das passte Einstein ganz und gar nicht – denn er lebte zu einer Zeit, als das Universum nur aus einer einzigen Galaxie, nämlich unserer Milchstraße, bestand und dazu noch statisch war. Das heißt: Das Universum verändert sich nicht. Es wird weder größer noch kleiner, es hat es schon immer gegeben und es wird es immer geben.

Wie ist unser Universum entstanden? Albert Einsteins Antwort darauf lautete zunächst: gar nicht.

In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi die Geschichte vom Anfang des Anfangs: Ein belgischer Priester und Physiker namens Georges Lemaître fand als Erster heraus, dass sich das Universum ausdehnt – und ist von dieser Expansion des Universums zu seinem Anfang gelangt, den wir heute Urknall nennen.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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Quelle: DLR 7. November 2023.

7. November 2023 – Die ersten Bilder der europäischen Weltraumsonde Euclid geben Einblick in nahegelegenen Regionen unseres Universums. Nie zuvor hat ein Weltraumteleskop mit Einzelaufnahmen solch große Abschnitte des Himmels mit einer derartigen Bildschärfe abbilden können. „Die ersten Bilder übertreffen unsere Erwartungen – und das ist erst der Anfang“, erklärt Dr. Alessandra Roy, Euclid-Projektleiterin in der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Denn damit hat Euclid bewiesen, dass Sonde, Teleskop und wissenschaftliche Instrumente für die eigentliche Mission bereit sind: die Erforschung der Dunklen Materie und Dunklen Energie im Weltall.

Euclid beobachtet über hundert Mal größere Himmelsbereiche als das James-Webb-Teleskop
Die Erwartungen an Euclid sind groß: In nur sechs Jahren soll die Sonde der Europäischen Weltraumorganisation ESA mehr als ein Drittel des Himmels durchmustern und dabei eine dreidimensionale Karte von der Verteilung der Galaxien im Universum erstellen, die sich über zehn Milliarden Lichtjahre erstreckt. Diese Verteilung ähnelt einem gigantischen kosmischen Netz, in dem Galaxienhaufen durch die Schwerkraft wie an Fäden miteinander verbunden zu sein scheinen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Teleskop und Instrumente vor allem darauf ausgerichtet, einen möglichst großen Himmelsabschnitt pro Aufnahme erfassen zu können. „Das Auflösungsvermögen von Euclid ist geringer als das des Hubble Space Teleskops“, erläutert Dr. Roy. „Stattdessen ist die die Sonde darauf spezialisiert, Himmelsbereiche zu beobachten, die mehr als hundertmal größer sind als das, was die Infrarotkamera des James-Webb-Teleskops leisten kann.“

Anhand der Aufnahmen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die bislang unbekannte Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie erforschen. Mit rund 95 Prozent bilden diese beiden Komponenten den Hauptbestandteil des Universums. Die Euclid-Daten sollen die Eigenschaften dieser Bestandteile genau bestimmen, um die derzeitig anerkannte kosmologische Theorie zu verfeinern und gegebenenfalls Abweichungen innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie zu erkennen.

Mehr als 50.000 Galaxien in der Aufnahme des Perseus-Galaxienhaufens
Eines der fünf ersten Bilder von Euclid ist eine Aufnahme des Perseus-Galaxienhaufens. Diese Struktur ist eines der massereichsten Objekte im Universum. Röntgenbeobachtungen haben dort das Vorhandensein von Dunkler Materie bereits nachgewiesen. Der Haufen enthält eine riesige Anzahl von Galaxien, die in eine enorme Wolke überhitzten Gases eingebettet sind. Euclid hat in der Aufnahme mehr als 50.000 Galaxien abgebildet, von denen einige noch nie zuvor auf Bildern zu sehen waren. Die Mission wird vor allem die Form der Hintergrundgalaxien erfassen. Anhand von Verzerrung innerhalb dieser Form können Astronominnen und Astronomen die Menge an Dunkler Materie messen, die sich zwischen den Galaxien und dem Sonnensystem befindet.

Die Verzerrung der Form der Hintergrundgalaxien ist ein bekannter Effekt. Er wird durch den Einfluss massereicher Objekte verursacht, die wie Glaslinsen wirken, die sich zwischen den Galaxien und dem Beobachter befinden. Dieses Phänomen wird durch die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt und ist als schwacher Gravitationslinseneffekt bekannt. Die Mission wird sich dieses Phänomen zunutze machen und im Rahmen seiner gesamten Durchmusterung die Verzerrung der Formen von Milliarden von Galaxien messen. Darüber hinaus wird Euclid die räumliche Verteilung dieser Galaxien untersuchen und erforschen, wie sie sich in den letzten zehn Milliarden Jahren verändert haben. Auf diese Weise wollen die Forschenden herausfinden, wie die Dunkle Energie die Expansion des Universums beeinflusst hat.

Wissenschaftliche Instrumente durchdringen kosmische Wolken vor der „Versteckten Galaxie“
Eine Aufnahme der „Versteckten Galaxie“ (IC 342) zeigt die Leistungsfähigkeit des Nahinfrarot-Spektrometer und Photometer (NISP) von Euclid in Kombination mit dem Visible Instrument (VIS). Der Name der Galaxie rührt daher, dass sie sich hinter der Scheibe der Milchstraße befindet und daher im optischen Licht durch das Gas und den Staub in unserer eigenen Galaxie verdeckt wird. Das Infrarot-Licht kann diese kosmischen Wolken jedoch durchdringen. Die Aufnahme zeigt viele Details der einzelnen Sterne und Sternhaufen in der Galaxie. „Obwohl die Kosmologie das Hauptziel dieser Mission ist, werden Euclid-Daten wertvolle Informationen über die Physik von Sternen und Galaxien, einschließlich der Milchstraße, enthalten“, so Dr. Roy. Geplant ist zudem die Untersuchung des Pferdekopf-Nebels, des berühmtesten und nächstgelegenen Sternentstehungs-Gebiets. Hier könnte Euclid neue Gasriesenplaneten wie Jupiter sowie Sterne in ihren Anfangsphasen entdecken.

Die Mission ist am 1. Juli 2023 mit einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtkonzerns SpaceX vom US-Weltraumbahnhof Cape Canaveral gestartet. Ihre endgültige Position in 1.5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde hatte die Sonde Ende Juli erreicht und nach ihrer Inbetriebnahme mit der Datenerfassung begonnen. Die erste Veröffentlichung der Euclid-Daten ist im Jahr 2025 geplant. Bis dahin werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Euclid-Konsortiums die Bilder analysieren und auswerten.

Euclid – eine europäische Mission und ihre Partner
Euclid ist die zweite M-Klasse-Mission aus dem „Cosmic Vision“-Programm der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Das Service-Modul und die Satellitenplattform werden von Thales Alenia Space (Italien) bereitgestellt. Die zwei Instrumente NISP und VIS wurden von einem Konsortium bereitgestellt, das aus 14 ESA-Mitgliedsstaaten sowie Kanada, Japan und den USA besteht und an dem 2.600 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt sind. Das Nutzlastmodul steht unter der Verantwortung von Airbus Defence & Space (Frankreich).

Die Studien zum NISP-Instrument wurden in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching geleitet. Zudem waren die Institute ebenso wie die Ludwig-Maximilians-Universität in München, die Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität in Bonn sowie die Ruhr Universität Bochum an der Softwareentwicklung für Euclid beteiligt. Die deutschen Institute und Universitäten sind mit erheblichen finanziellen Mitteln beteiligt.

Deutschland ist der größte Beitragszahler im ESA-Wissenschaftsprogramm und trägt somit rund 21 Prozent zur Mission bei. Im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) ist die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR für die Koordinierung der deutschen ESA-Beiträge verantwortlich. Darüber hinaus fördert sie Teile des NISP Instruments und der Software für die Datenverarbeitung und einem Datenzentrum mit mehr als 60 Millionen Euro bis zum Betriebsende der auf sechs Jahre ausgelegten Mission über das Nationale Raumfahrtprogramm.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: Universität Luxemburg 26. Januar 2023.

26. Januar 2023 – Das Universum hat etliche bizarre Eigenschaften, die mit dem alltäglichen Erfahrungsschatz nur schwer zu verstehen sind. So macht die uns bekannte Materie aus elementaren und zusammengesetzten Teilchen, die Moleküle und Werkstoffe bilden, offenbar nur einen kleinen Teil der Energie des Weltalls aus. Den größten Beitrag liefert mit rund zwei Dritteln die „Dunkle Energie“ – eine hypothetische Energieform, über deren Herkunft die Physiker noch im Dunkeln tappen. Außerdem dehnt sich das Weltall nicht nur stetig aus, sondern das geschieht auch in immer schnellerem Tempo. Beide Merkmale scheinen zusammenzuhängen, denn die Dunkle Energie gilt auch als Treiber der beschleunigten Expansion. Darüber hinaus könnte sie zwei mächtige physikalische Denkgebäude verbinden: die Quantenfeldtheorie und die von Albert Einstein entwickelte Allgemeine Relativitätstheorie. Doch die Sache hat einen Haken: Berechnungen und Beobachtungen zu diesem Konzept passten bislang bei Weitem nicht zusammen. Nun haben zwei Forscher aus Luxemburg einen neuen Weg aufgezeigt, wie sich dieses 100 Jahre alte Rätsel lösen lässt – in einer Arbeit, die im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht wurde.

Die Spur virtueller Teilchen im Vakuum
„Das Vakuum besitzt eine Energie. Das ist ein grundlegendes Ergebnis der Quantenfeldtheorie“, erklärt Prof. Dr. Alexandre Tkatchenko, Professor für Theoretische Physik im Fachbereich Physik und Materialwissenschaften an der Universität Luxemburg. Diese Theorie wurde entwickelt, um Quantenmechanik und Spezielle Relativitätstheorie zusammenzuführen. Doch die Quantenfeldtheorie scheint nicht mit der Allgemeinen Relativitätstheorie kompatibel zu sein. Ihr wesentliches Merkmal: Die Theorie betrachtet im Gegensatz zur Quantenmechanik nicht nur Teilchen, sondern auch materielose Felder als Quantenobjekte. „Die Dunkle Energie betrachten viele Forscher in diesem Rahmen als Ausdruck der sogenannten Vakuumenergie“, sagt Tkatchenko: einer physikalischen Größe, die in einem anschaulichen Bild durch ein ständiges Entstehen und die Wechselwirkung von Paaren aus Teilchen und ihren Antiteilchen – etwa Elektronen und Positronen – im eigentlich leeren Raum hervorgerufen wird.

Physiker sprechen bei diesem Kommen und Gehen virtueller Teilchen und ihrer Quantenfelder von Vakuum- oder Nullpunktfluktuationen. Während die Partikelpaare rasch wieder im Nichts vergehen, lässt ihre Existenz einen gewissen Gehalt an Energie zurück. „Diese Vakuumenergie hat auch in der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Bedeutung“, stellt der Luxemburger Wissenschaftler fest: „Sie manifestiert sich in der von Einstein aus physikalischen Gründen in seine Gleichungen eingefügten kosmologischen Konstante.“

Ein kolossales Missverhältnis
Anders als die Vakuumenergie, die sich nur aus den Formeln der Quantenfeldtheorie erschließt, lässt sich die kosmologische Konstante durch astrophysikalische Experimente direkt bestimmen. So haben Messungen mit dem Weltraumteleskop Hubble und der Raumfahrtmission Planck nahe beieinander liegende und verlässliche Werte für die fundamentale physikalische Größe ergeben. Berechnungen der Dunklen Energie auf Basis der Quantenfeldtheorie hingegen liefern Resultate, die einem bis zu 10¹²⁰-mal so großen Wert der kosmologischen Konstanten entsprechen – ein kolossales Missverhältnis, obwohl im heute vorherrschenden Weltbild der Physiker beide Werte gleich sein müssten. Die stattdessen festgestellte Diskrepanz ist bekannt als das „Rätsel der kosmologischen Konstante“. „Es ist zweifellos eine der größten Ungereimtheiten in der modernen Wissenschaft“, meint Alexandre Tkatchenko.

Unkonventionelle Art der Interpretation
Gemeinsam mit seinem Luxemburger Forscherkollegen Dr. Dmitry Fedorov hat er nun die Lösung dieses seit Jahrzehnten offenen Rätsels ein bedeutendes Stück nähergebracht. In einer theoretischen Arbeit, deren Ergebnisse sie nun in Physical Review Letters veröffentlicht haben, schlagen die beiden Luxemburger Forscher eine neue Interpretation der Dunklen Energie vor. Sie gehen davon aus, dass die Nullpunktfluktuationen eine Polarisierbarkeit des Vakuums bewirken, die sich sowohl messen als auch berechnen lässt. „Bei Paaren von virtuellen Teilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung entsteht sie durch elektrodynamische Kräfte, die diese Partikel während ihrer äußerst kurzen Existenz gegenseitig aufeinander ausüben“, erklärt Tkatchenko. Die Physiker sprechen dabei von einer Vakuum-Selbstwechselwirkung. „Diese führt zu einer Energiedichte, die sich mithilfe eines neuen Modells bestimmen lässt“, sagt der Luxemburger Wissenschaftler.

Gemeinsam mit seinem Kollegen Fedorov hat er dieses grundlegende Modell für Atome entwickelt und 2018 erstmals vorgestellt. Das Modell diente ursprünglich zur Beschreibung atomarer Eigenschaften. Dazu gehört insbesondere die Beschreibung des Zusammenhangs der Polarisierbarkeit von Atomen mit den Gleichgewichtseigenschaften bestimmter Moleküle sowie Festkörper, wo die Atome nicht kovalent gebunden sind. Da die geometrischen Charakteristiken experimentell recht einfach messbar sind, lässt sich über die Formel der beiden Forscher auch die Polarisierbarkeit bestimmen. „Dieses Vorgehen haben wir auf die Vorgänge im Vakuum übertragen“, erläutert Fedorov. Dazu betrachteten die beiden Forscher das Verhalten von Quantenfeldern – insbesondere solchen, die das „Entstehen und Verschwinden“ von Elektronen und Positronen repräsentieren. Die Fluktuationen dieser Felder lassen sich durch eine Gleichgewichtsgeometrie kennzeichnen, die bereits aus Experimenten bekannt ist. „Wir haben diese Geometrien in die Formeln unseres Modells eingesetzt und erhielten auf diese Weise letztlich die Stärke der intrinsischen Vakuum-Polarisation“, berichtet Fedorov. Der letzte Schritt war es, die Energiedichte der Selbstwechselwirkung zwischen Fluktuationen von Elektronen und Positronen quantenmechanisch zu berechnen. Das so erhaltene Resultat stimmt gut mit den gemessenen Werten für die kosmologische Konstante überein: Das bedeutet: „Die Dunkle Energie lässt sich auf die Energiedichte der Selbstwechselwirkung von Quantenfeldern zurückführen“, betont Alexandre Tkatchenko.

Gute Übereinstimmung und überprüfbare Prognosen
„Unsere Arbeit bietet damit einen eleganten und unkonventionellen Lösungsansatz für das Rätsel der kosmologischen Konstante“, resümieren die Physiker. „Darüber hinaus liefert sie eine überprüfbare Vorhersage: nämlich, dass Quantenfelder tatsächlich genauso wie Elektronen und Positronen eine zwar kleine, aber stets vorhandene intrinsische Polarisation besitzen.“ Diese Erkenntnis weist eine Richtung für künftige Experimente, um diese Polarisation auch im Labor nachweisen zu können, meinen die beiden Luxemburger Forscher. „Unser Ziel ist es, die kosmologische Konstante aus einem rigorosen quantentheoretischen Ansatz heraus abzuleiten“, betont Dmitry Fedorov. “Zudem enthält unsere Arbeit ein Rezept, wie sich das verwirklichen lässt.“ Fedorov betrachtet die neuen Ergebnisse, die er gemeinsam mit Alexandre Tkatchenko erzielt hat, als ersten Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Dunklen Energie – und ihrer Verbindung zu Albert Einsteins kosmologischer Konstante. Tkatchenko ist überzeugt: „Letztlich könnte das auch erhellen, auf welche Weise Quantenfeldtheorie und Allgemeine Reaktivitätstheorie als zwei Betrachtungsweisen des Universums und seiner Bestandteile miteinander verwoben sind.“

Originalpublikation:
Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields
Alexandre Tkatchenko and Dmitry V. Fedorov
Phys. Rev. Lett. 130, 041601 – Published 24 January 2023, doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.041601
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.041601

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• Dunkle Energie

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Quelle: Universität Heidelberg 9. Dezember 2022.

9. Dezember 2022 – In ihrer Forschung an ultrakalten Quantengasen konnten sie so eine ganze Familie gekrümmter Universen simulieren, um verschiedene kosmologische Szenarien zu untersuchen und mit den Vorhersagen eines quantenfeldtheoretischen Modells zu vergleichen. Die Forschungsergebnisse wurden in „Nature“ veröffentlicht.

Raum und Zeit sind nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie untrennbar miteinander verbunden. In unserem Universum – es ist kaum messbar gekrümmt – ist die Struktur dieser Raumzeit vorgegeben. Wissenschaftlern der Universität Heidelberg ist es nun gelungen, in einem Laborexperiment eine effektive Raumzeit zu realisieren, die sich manipulieren lässt.

Die Entstehung von Raum und Zeit auf kosmischen Zeitskalen vom Urknall bis in die Gegenwart ist Gegenstand aktueller Forschung, die sich jedoch nur auf die Beobachtung unseres einen Universums berufen kann. Wesentlicher Bestandteil kosmologischer Modelle sind die Expansion und Krümmung des Raumes. In einem flachen Raum wie unserem heutigen Universum ist die kürzeste Strecke zwischen zwei Punkten immer eine Gerade. „Es ist allerdings denkbar, dass unser Universum in seiner Anfangsphase gekrümmt war. Die Folgen einer gekrümmten Raumzeit zu untersuchen ist daher eine drängende Forschungsfrage“, sagt Prof. Dr. Markus Oberthaler, Wissenschaftler am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg. Mit seiner Forschungsgruppe „Synthetische Quantensysteme“ hat er dafür einen Quantenfeldsimulator entwickelt.

Der im Labor realisierte Quantenfeldsimulator besteht aus einer Wolke von Kalium-Atomen, die bis auf einige Nanokelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt wurde. Dabei entsteht ein Bose-Einstein-Kondensat – ein spezieller quantenmechanischer Zustand des atomaren Gases, der bei sehr kalten Temperaturen erreicht wird. Wie Prof. Oberthaler erläutert, wirkt das Bose-Einstein-Kondensat als idealer Hintergrund, auf dem kleinste Anregungen, das heißt Änderungen des Energiezustandes der Atome, sichtbar werden. Die Form der Atomwolke bestimmt dabei die Dimensionalität und die Eigenschaften der Raumzeit, auf der sich diese Anregungen wellenartig bewegen. Im Universum sind es drei Dimensionen des Raumes und eine vierte – die der Zeit.

In dem Experiment der Heidelberger Physikerinnen und Physiker sind die Atome in einer dünnen Schicht gefangen. So können sich Anregungen nur in zwei Raumrichtungen ausbreiten – der Raum ist zweidimensional. Gleichzeitig lässt sich die Atomwolke in den verbleibenden zwei Dimensionen fast beliebig formen, womit es möglich ist, auch gekrümmte Raumzeiten zu realisieren. Die Wechselwirkung zwischen den Atomen kann durch ein Magnetfeld präzise eingestellt werden, wodurch sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der wellenartigen Anregungen auf dem Bose-Einstein-Kondensat ändert.

„Für die Wellen auf dem Kondensat ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig von der Dichte und der Wechselwirkung der Atome. Das gibt uns die Möglichkeit, Bedingungen wie in einem expandierenden Universum zu schaffen“, erklärt Prof. Dr. Stefan Flörchinger, zuvor Wissenschaftler an der Universität Heidelberg und seit Anfang dieses Jahres an der Universität Jena. Er hat das quantenfeldtheoretische Modell ausgearbeitet, mit dem die experimentellen Ergebnisse quantitativ abgeglichen wurden.

Mit dem Quantenfeldsimulator können kosmische Phänomene, beispielsweise die Produktion von Teilchen aufgrund der Expansion des Raumes, und die Raumzeitkrümmung selbst messbar gemacht werden. „Kosmologische Fragestellungen laufen normalerweise auf unvorstellbar großen Skalen ab. Diese ganz konkret im Labor untersuchen zu können, eröffnet ganz neue Möglichkeiten der Forschung, indem wir neue theoretische Modelle experimentell testen können“, sagt Celia Viermann, die Erstautorin der „Nature“-Veröffentlichung ist. „Das Wechselspiel von gekrümmter Raumzeit und quantenmechanischen Zuständen im Labor zu erforschen, wird uns noch einige Zeit beschäftigen“, so Markus Oberthaler, der mit seiner Forschungsgruppe Mitglied im Exzellenzcluster STRUCTURES der Ruperto Carola ist.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1225 „Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen“ (ISOQUANT) der Universität Heidelberg durchgeführt.

Originalpublikation:
C. Viermann, M. Sparn, N. Liebster, M. Hans, E. Kath, Á. Parra-López, M. Tolosa-Simeón, N. Sánchez-Kuntz, T. Haas, H. Strobel, S. Stefan Flörchinger, M.K. Oberthaler: Quantum field simulator for dynamics in curved spacetime. Nature (9 November), doi: 10.1038/s41586-022-05313-9, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05313-9.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: IFW Dresden 11. November 2022.

11. November 2022 – Schwarze Löcher sind die extremsten Objekte im Universum. Sie vereinen so viel Masse auf so wenig Raum, dass sich nichts – nicht einmal Licht – ihrer Anziehungskraft entziehen kann. Das Verständnis Schwarzer Löcher ist der Schlüssel zur Enträtselung der grundlegendsten Gesetze, die den gesamten Kosmos bestimmen, weil sie ein Zusammenspiel von zwei der am besten untersuchten Theorien der Physik darstellen: Der allgemeinen Relativitätstheorie, die die Schwerkraft als Ergebnis der Verformung der Raumzeit durch massive Objekte beschreibt, und der Quantentheorie, die die Physik der kleinsten Größeneinheiten beschreibt. Um Schwarze Löcher vollständig zu beschreiben, müssten wir diese beiden Theorien zusammenfügen und eine Theorie der Quantengravitation entwickeln.

Um diesem Ziel näher zu kommen, sollten wir unser Augenmerk auf das richten, was aus Schwarzen Löchern entweicht, anstatt uns mit all dem zu befassen, was von ihnen verschluckt wird. Der sogenannte Ereignishorizont ist eine nicht überwindbare Zone, die jedes Schwarze Loch umgibt und aus der es kein Entrinnen gibt. Der britische Physiker Stephen Hawking entdeckte jedoch 1974, dass jedes Schwarze Loch aufgrund kleiner Quantenfluktuationen um seinen Horizont herum eine geringe Wärmestrahlung aussenden muss. Diese Strahlung ist bisher jedoch nie direkt nachgewiesen worden. Die Menge der Hawking-Strahlung, die von jedem Schwarzen Loch ausgeht, ist so gering, dass sie mit der heutigen Technologie nicht von der Strahlung aller anderen kosmischen Objekte unterschieden werden kann.

Alternativ könnten wir versuchen, den Mechanismus, der der Entstehung der Hawking-Strahlung zugrunde liegt, direkt hier auf der Erde zu untersuchen. Das haben sich Forschende des IFW Dresden und der Universität Amsterdam zur Aufgabe gemacht. Die Antwort auf die Frage, ob das grundsätzlich gelingen kann, ist ein begeistertes: „Ja, das funktioniert tatsächlich. Wir wollten die wirkungsvollen Werkzeuge der Physik der kondensierten Materie nutzen, um die unerreichbare Physik dieser unglaublichen Objekte zu ergründen: Schwarze Löcher“, sagt Lotte Mertens, die seit Januar 2021 im Rahmen ihrer binationalen Promotion am IFW Dresden zum Thema forscht.
Dazu untersuchte sie ein Modell, das auf einer eindimensionalen Kette von Atomen basiert, in der Elektronen von einem Atomplatz zum nächsten „hüpfen“ können. Die durch das Schwarze Loch verursachte Verformung der Raumzeit wird nachgeahmt, indem eingestellt wird, wie leicht die Elektronen zwischen den einzelnen Stellen springen sollen. Mit der richtigen Einstellung der Sprungwahrscheinlichkeit entlang der Kette verhält sich ein Elektron, das sich von einem Ende der Kette zum anderen bewegt, genau wie ein Stück Materie, das sich dem Horizont eines Schwarzen Lochs nähert. Und analog zur Hawking-Strahlung zeigt das Modellsystem Ausschläge, die sich genau so verhalten, als ob sie eine Temperatur hätten. Trotz des Fehlens der tatsächlichen Schwerkraft im Modellsystem gibt die Untersuchung dieses synthetischen Horizonts wichtige Aufschlüsse über die Physik der originalen Schwarzen Löcher. „Hawking-Strahlung tritt nur dann auf, wenn das Modellsystem zu Beginn keine räumliche Variation der Sprungwahrscheinlichkeiten aufweist und eine homogene Raumzeit imitiert, bevor es in ein System mit einem synthetischen Schwarzen Loch umgewandelt wird“, erklärt Mertens. „Das Auftreten von Hawking-Strahlung erfordert also eine Veränderung der Raumzeitverkrümmung.“

Die vorhergesagte Hawking-Strahlung setzt voraus, dass ein Teil der Kette jenseits des synthetischen Horizonts existiert. Dies bedeutet, dass die Existenz der Wärmestrahlung eng mit der quantenmechanischen Eigenschaft der Verschränkung zwischen Objekten auf beiden Seiten des Horizonts verbunden ist. Die Forschenden fanden außerdem heraus, dass eine Hawking-Temperatur nur dann auftritt, wenn man eine ganz bestimmte räumliche Variation des Hüpfens einstellt. Dies könnte sogar Auswirkungen auf die allgemeine Relativitätstheorie haben: Wenn die Analogie gilt, gibt es demnach nur in bestimmten Gravitationssituationen ein thermisches Spektrum.

„Da unser Modell so einfach ist, kann es in einer Reihe von Versuchsaufbauten eingesetzt werden“, freut sich Lotte Mertens. Die Methodik zeigt, dass spezifische, schwer fassbare Phänomene des Universums durch genau konstruierte Materialsysteme beobachtet werden können. Die Erforschung Schwarzer Löcher mit Hilfe moderner Materialforschung im Labor bringt uns dem Verständnis des Zusammenspiels von Gravitation und Quantenmechanik einen Schritt näher.

Originalpublikation:
Lotte Mertens, Ali G. Moghaddam, Dmitry Chernyavsky, Corentin Morice, Jeroen van den Brink, and Jasper van Wezel, ‘Thermalization by a synthetic horizon’ Phys. Rev. Research 4, 043084
URL: Phys. Rev. Research 4, 043084 (2022) – Thermalization by a synthetic horizon (aps.org)
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.4.043084,
https://arxiv.org/abs/2206.08041, pdf: https://arxiv.org/pdf/2206.08041.

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• physikalische Grundlagenforschung
• Schwarze Löcher

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Quelle: Stadt Heidelberg 21. Juli 2022.

21. Juli 2022 – Die mit Heidelberg verbundene Unternehmerin und Forscherin von Hoerner ist künftig Namenspatin für eine neue, nördlich der Eppelheimer Straße verlaufende Parallelstraße in der Bahnstadt. Die sogenannte Kleine Bahnrandstraße zwischen Max-Planck-Ring und Czernyring in den Stadtteilen Bahnstadt und Weststadt heißt zukünftig „Mileva-Maric-Straße“. Die Benennung der beiden Straßen folgt der bisherigen Namensgebung in der Bahnstadt. Die Straßen sind dort überwiegend nach verdienten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern benannt, die zum Teil auch Bezug zu Heidelberg haben. Der Platz vor dem Justizzentrum an der Kurfürsten-Anlage wird nach dem ehemaligen hessischen Generalstaatsanwalt Fritz Bauer benannt.

Über die neuen Straßen- und Platznamen:

Hanna-von-Hoerner-Straße
Hanna von Hoerner kam 1956 mit ihrer Familie nach Heidelberg. Nach dem Studium der Elektronik und Physik in den USA und Heidelberg gründete sie 1971 in Schwetzingen die Firma „von Hoerner & Sulger“ zur Herstellung wissenschaftlicher Instrumente für die Raumfahrt. Das Unternehmen erwarb sich in den folgenden Jahren einen Weltruf für seine Produkte. 2009 erhielt Hanna von Hoerner für hervorragende Leistungen den Landesverdienstorden von Baden-Württemberg, 2013 wurde sie mit dem Verdienstkreuz erster Klasse der Bundesrepublik Deutschland ausgezeichnet.

Mileva-Maric-Straße
Mileva Marić war eine serbische Mathematikerin und Physikerin und gilt manchen als „Mitentwicklerin der Relativitätstheorie“. Von 1897 bis 1898 studierte sie als Gasthörerin an der Universität Heidelberg. Dank ihrer unbestrittenen mathematischen Begabung hatte Mileva Marić einen bedeutenden wissenschaftlichen Anteil zumindest an den bahnbrechenden frühen Forschungsarbeiten ihres Mannes Albert Einstein. Sie gilt zudem als eine Pionierin des naturwissenschaftlichen Frauenstudiums.

Fritz-Bauer-Platz
Der in Stuttgart geborene Jurist Fritz Bauer hat 1927 in Heidelberg promoviert. Als Sozialdemokrat wurde er schon 1933 von den Nationalsozialisten aus dem Staatsdienst gedrängt und musste 1936 fliehen. Nach seiner Rückkehr in den Staatsdienst in Deutschland 1949 erwarb sich Bauer bleibende Verdienste durch seine Beiträge zur juristischen Ahndung von NS-Verbrechen. Der Frankfurter Auschwitz-Prozess der Jahre 1963 bis 1965 kam maßgeblich durch Bauer zustande. Auch wenn seine Verdienste erst spät gewürdigt wurden, erinnern heute an nahezu allen Wirkungsstätten und auch darüber hinaus nach ihm benannte Straßen und Plätze an Fritz Bauer.

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• Ehrungen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

13. Dezember 2021 – Ein internationales Team von Forschern aus zehn Ländern unter der Leitung von Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn hat in einem 16 Jahre dauernden Experiment Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit einigen der bisher rigidesten Tests überprüft. Sie erforschten ein einzigartiges Sternpaar mit extremen Eigenschaften, zwei sogenannte Pulsare, die einander in einem Doppelsternsystem umkreisen. Bei den Untersuchungen, an denen sieben Radioteleskope auf der ganzen Welt beteiligt waren, traten neue relativistische Effekte zutage, die erwartet worden waren, nun aber zum ersten Mal beobachtet wurden. Die Theorie von Einstein, die zu einer Zeit entwickelt wurde, als man sich weder diese Typen von extremen Sternen noch die zu ihrer Untersuchung verwendeten Techniken vorstellen konnte, stimmt mit den Beobachtungen besser als 99,99 % überein. Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift “Physical Review X” veröffentlicht.

Mehr als 100 Jahre, nachdem Albert Einstein seine Gravitationstheorie veröffentlicht hat, bemühen sich 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, die ein Fenster zu einer neuen Physik öffnen würde, und über unser derzeitiges theoretisches Verständnis des Universums hinausgeht.
Der Leiter des Forschungsteams, Prof. Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, sagt: „Wir haben ein System mit zwei Sternen von extrem hoher Dichte untersucht, das ein einzigartiges Labor darstellt, um Gravitationstheorien in der Anwesenheit sehr starker Gravitationsfelder zu testen. Zu unserer Freude konnten wir einen Eckpfeiler der Einsteinschen Theorie, nämlich die Energieabstrahlung von Gravitationswellen, 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.“ Er erklärt weiterhin, dass die Beobachtungen nicht nur exzellent mit der Theorie übereinstimmen, „sondern wir konnten auch Effekte sehen, die vorher nicht zugänglich waren.“

Prof. Ingrid Stairs von der University of British Columbia in Vancouver nennt ein Beispiel: „Wir verfolgen die Ausbreitung von Radiophotonen, die von einem kosmischen Leuchtturm, einem Pulsar, ausgesandt werden, und untersuchen ihre Bewegung im starken Gravitationsfeld eines Begleitpulsars. 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, den wir nachweisen können. Nie zuvor wurde ein solches Experiment bei einer so starken Raumzeitkrümmung durchgeführt.“

Dieses kosmische Labor, das unter dem Namen „Doppelpulsar“ bekannt ist, wurde von Mitgliedern des Teams im Jahr 2003 entdeckt. Es besteht aus zwei Radiopulsaren, die einander in nur 147 Minuten mit Geschwindigkeiten von etwa 1 Million km/h umkreisen. Der eine Pulsar dreht sich sehr schnell, etwa 44 Mal pro Sekunde. Der Begleiter ist jung und hat eine Rotationsperiode von 2,8 Sekunden. Ihre Bewegung umeinander kann als nahezu perfektes Labor zur Untersuchung von Gravitationstheorien in extremer Umgebung genutzt werden.

Prof. Dick Manchester von der nationalen Wissenschaftsagentur CSIRO in Australien veranschaulicht dies wie folgt: „Eine derart schnelle Umlaufbewegung von solch kompakten Objekten – sie sind etwa 30 % massereicher als die Sonne, haben aber nur einen Durchmesser von etwa 24 km – ermöglicht es uns, eine Reihe von Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen – insgesamt sind es sieben Stück! Neben den Gravitationswellen können wir mit der Präzision unseres Experiments auch Effekte der Lichtausbreitung untersuchen, wie die so genannte „Shapiro-Verzögerung“ und die Beugung des Lichts. Wir messen auch den Effekt der „Zeitdilatation“, der Uhren in Gravitationsfeldern langsamer laufen 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. Diese Strahlung entspricht einem Massenverlust von 8 Millionen Tonnen pro Sekunde! Das scheint viel zu sein, aber es ist nur ein winziger Bruchteil – 3 Teile von tausend Milliarden Milliarden (!) – der Gesamtmasse des Pulsars pro Sekunde.“

Die Forscher haben auch mit einer Genauigkeit von 1 Teil in einer Million (!) nachweisen können, dass die Bahn ihre Ausrichtung ändert. Das ist ein relativistischer Effekt, der auch von der Merkurbahn bekannt ist, hier aber 140.000 Mal stärker auftritt. Sie erkannten, dass sie bei dieser Genauigkeit auch die Auswirkungen der Rotation des Pulsars auf die umgebende Raumzeit berücksichtigen müssen, die mit dem rotierenden Pulsar sozusagen „mitgeschleift“ wird. Dr. Norbert Wex vom MPIfR, ein weiterer Hauptautor der Studie, erklärt: „Physiker nennen dies den Lense-Thirring-Effekt oder Frame-Dragging. In unserem Experiment bedeutet es, dass wir die innere Struktur eines Pulsars als Neutronenstern betrachten müssen. Unsere Messungen ermöglichen es uns daher zum ersten Mal, eine Technik, die wir Pulsar-Timing nennen, nämlich die präzise Nachverfolgung der Umdrehung des Neutronensterns zu nutzen, um Aussagen über die Größe des Sterns treffen zu können.“

Die Technik der Pulsarzeitmessung wurde mit sorgfältigen interferometrischen Messungen des Systems kombiniert, um seine Entfernung mit hochauflösender Bildgebung zu bestimmen. Das Ergebnis beträgt 2.400 Lichtjahre, mit einem Fehler von nur 8%. Teammitglied Prof. Adam Deller von der Swinburne-Universität in Australien, der für diesen Teil des Experiments verantwortlich ist, hebt hervor: „Es ist die Kombination verschiedener, sich ergänzender Beobachtungstechniken, die den extremen Wert des Experiments ausmacht. In der Vergangenheit wurden ähnliche Studien oft durch das begrenzte Wissen über die Entfernung solcher Systeme behindert“. Dies ist hier nicht der Fall, da neben der Pulsarzeitmessung und der Interferometrie auch die Informationen aus den Effekten des interstellaren Mediums sorgfältig berücksichtigt wurden. Prof. Bill Coles von der University of California San Diego stimmt dem zu: „Wir haben alle möglichen Informationen über das System gesammelt und ein vollkommen konsistentes Bild abgeleitet, das die Physik aus vielen verschiedenen Bereichen wie Kernphysik, Gravitation, interstellares Medium, Plasmaphysik und mehr einbezieht. Das ist sehr außergewöhnlich.“

„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. Sie ergänzen ebenfalls andere Pulsarexperimente, wie unser Timing-Experiment mit einem Pulsar in einem stellaren Dreifachsystem, das einen unabhängigen (und hervorragenden) Test der Universalität des freien Falls geliefert hat“, sagt Paulo Freire, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Michael Kramer fasst zusammen: „Wir haben einen Grad von Präzision erreicht, der beispiellos ist. Künftige Experimente mit noch größeren Teleskopen können und werden noch weiter gehen. 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…“

Zusätzliche Informationen:
Radiopulsare – schnell rotierende, stark magnetisierte Neutronensterne – sind faszinierende Objekte. Diese unglaublich dichten Objekte, die mehr wiegen als unsere Sonne, aber nur einen Durchmesser von etwa 24 km haben, erzeugen Radiostrahlen, die den Himmel wie das Signal eines Leuchtturms überstreichen. Seit ihrer Entdeckung durch Jocelyn Bell-Burnell und Antony Hewish im Jahr 1967 wurden mehr als 3.000 Pulsare gefunden. Pulsare liefern eine Fülle von Informationen über die Physik von Neutronensternen, Gravitationspotential und Magnetfeld der Milchstraße, das interstellare Medium, Himmelsmechanik, Planetenphysik und sogar Kosmologie. Sie ermöglichen die strengsten Überprüfungen der Vorhersagen von Gravitationstheorien für stark gekrümmte Raumzeiten.

Der „Doppelpulsar“ PSR J0737-3039 A/B wurde von Mitgliedern des Teams entdeckt (M. Burgay et al., 2003, Nature 426, 531-533; A. Lyne et al., 2004, Science 303, 1153). In der ersten Arbeit wurde ein Pulsar in einem Doppelsternsystem beschrieben, während in der zweiten Arbeit auch der Begleiter als Pulsar bestätigt werden konnte. Es ist das einzige bisher bekannte System, in dem zwei Radiopulsare einander umkreisen. Die Quelle wurde in einer Entfernung von 2.400 Lichtjahren in Richtung des Sternbildes Puppis (direkt links von Canis Major mit Sirius, dem hellsten Stern am Nachthimmel) im Rahmen einer Pulsardurchmusterung in hohen galaktischen Breiten mit dem Parkes-Radioteleskop gefunden. Die beiden Pulsare umkreisen einander in nur 147 Minuten. Einer von ihnen dreht sich sehr schnell, etwa 44 Mal pro Sekunde, während der jüngere Begleiter eine Rotationsperiode von 2,8 Sekunden aufweist. Die Geometrie des Systems führt zu Verdeckungen der gepulsten Emission des einen Pulsars durch die Magnetosphäre des anderen. Außerdem hat die geodätische Präzession der Rotationsachse von Pulsar B dazu geführt, dass die Pulssignale des Begleiters seit dem Jahr 2008 vorübergehend verschwunden sind. Der genaue Zeitpunkt ihres Wiederauftauchens hängt von den Details der Gestalt des Pulsarstrahls ab und kann bereits in einigen Monaten oder erst in einer Reihe von Jahren erfolgen. Die Bewegung zweier Pulsare umeinander macht sie zu einem nahezu perfekten Labor für Tests der Gravitation.

Für die Beobachtungen wurden sieben empfindliche Radioteleskope eingesetzt. Dazu gehören das Parkes-Teleskop der CSIRO in Australien (Beobachtungen bei 700 MHz, 1400 MHz und 3100 MHz), das Green-Bank-Teleskop in den USA (Beobachtungen bei 820 MHz und 1400/1500 MHz) (Beobachtungen bei 820 MHz und 1400/1500 MHz), das Nançay-Radioteleskop in Frankreich (Beobachtungen in zwei Bändern mit Zentralfrequenzen von 1484 MHz bzw. 2520 MHz), das 100m-Teleskop Effelsberg (zwei verschiedene 20-cm-Empfängersysteme), das Lovell-Radioteleskop in Großbritannien (im Frequenzbereich von 1300-1700 MHz) und das Westerbork-Synthesis-Radioteleskop in den Niederlanden (Beobachtungen bei 334 MHz). Darüber hinaus wurden Beobachtungen mit dem Very Long Baseline Array (VLBA) mit zehn über die USA verteilten Einzelteleskopen durchgeführt (bei 1,56 GHz).

Das Forschungsteam besteht aus Michael Kramer, Ingrid H. Stairs, Richard N. (Dick) Manchester, Norbert Wex, Adam Deller, William A. Coles, Masooma Ali, Marta Burgay, Fernando Camilo, Ismaël Cognard, Thibault Damour, Gregory Desvignes, Robert Ferdman, Paulo C. C. Freire, Steffani Grondin, Lucas Guillemot, George B. Hobbs, Gemma Janssen, Ramesh Karuppusamy, Duncan R. Lorimer, Andrew G. Lyne, James W. McKee, Maura McLaughlin, L. Elias Münch, Nihan Pol, Andrea Possenti, John Sarkissian, Ben W. Stappers und Gilles Theureau.

Der Erstautor, Michael Kramer, sowie Norbert Wex, Masooma Ali, Paulo Freire, Ramesh Karuppusamy und Elias Münch haben eine Affiliation mit dem MPIfR.

Originalveröffentlichung:
Strong-Field Gravity Tests with the Double Pulsar, M. Kramer et al, 2021, Physical Review X 11, 041050 (13. Dezember 2021), DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050.
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041050

Strong-field Gravity Tests with the Double Pulsar, M. Kramer et al. 2021, Physical Review X 11, 041050 – am 13. Dezember 2021 veröffentlicht. Preprint astro-ph
https://arxiv.org/abs/2112.06795

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