Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 15. Februar 2024.

15. Februar 2024 – Würde es Gravasterne tatsächlich geben, sähen sie für einen weit entfernten Beobachter ähnlich aus wie Schwarze Löcher. Zwei theoretische Physiker der Goethe-Universität Frankfurt haben jetzt eine neue Lösung der Allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins gefunden, derzufolge Gravasterne aufgebaut sein könnten wie eine russische Matrjoschka-Puppe: Im Inneren eines Gravasterns befände sich sein weiterer Gravastern.

Das Innere Schwarzer Löcher ist für die Wissenschaft eine harte Nuss: Der deutsche Physiker Karl Schwarzschild fand 1916 eine Lösung für die Gleichungen Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, derzufolge sich im Zentrum eines schwarzen Lochs eine sogenannte Singularität befindet, ein Punkt, an dem Raum und Zeit nicht mehr existieren. Alle physikalischen Gesetze, also auch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, habe dort keine Gültigkeit mehr, das Prinzip der Kausalität ist aufgehoben. Das ist ein großes Ärgernis für die Wissenschaft, denn jenseits des sogenannten Ereignishorizonts können keine Informationen aus einem Schwarzen Loch nach außen dringen. Wohl auch aus diesem Grund fand Schwarzschilds Lösung lange Zeit außerhalb der Theorie keine größere Beachtung, bis 1971 der erste Kandidat für ein Schwarzes Loch entdeckt, in den 2000er-Jahren das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße nachgewiesen und schließlich 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs durch die Event Horizon Telescope Collaboration veröffentlicht wurde.

2001 schlugen die beiden Wissenschaftler Pawel Mazur und Emil Mottola eine andere Lösung für Einsteins Feldgleichungen vor, die zu Objekten führten, die sie Gravasterne nannten. Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern haben Gravasterne aus Sicht der theoretischen Astrophysik mehrere Vorteile: Einerseits sind sie nahezu so kompakt wie Schwarze Löcher und besitzen ebenso wie diese an ihrer Oberfläche eine Gravitationskraft, die praktisch so stark ist wie die eines Schwarzen Lochs, sodass ihr nicht einmal Licht entkommen kann. Allerdings haben sie keine Grenze, innerhalb der keine Art von Information nach außen dringen kann, den so genannten Ereignishorizont, und in ihrem Inneren gibt es keine Singularität. Vielmehr besitzen Gravasterne einen Kern aus exotischer – dunkler – Energie, die den Gegendruck zur ungeheuren Gravitationskraft hält, die den Stern zusammenpresst. Die Oberfläche von Gravasternen bildet eine hauchdünne Haut aus gewöhnlicher Materie, deren Dicke gegen Null geht.

Die beiden theoretischen Physiker Daniel Jampolski und Prof. Luciano Rezzolla haben jetzt eine Lösung der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie vorgestellt, die einen Gravastern im Innern eines weiteren Gravasterns beschreibt. Diesem – hypothetischen – Himmelsobjekt haben sie den Namen „Nestar“ gegeben (von englisch nested = verschachtelt).

Daniel Jampolski, der die Lösung in seiner durch Prof. Luciano Rezzolla betreuten Bachelorarbeit fand, meint: „Der Nestar ist wie eine russische Matrjoschka, und unsere Lösung der Feldgleichungen lässt auch eine ganze Reihe von ineinander geschachtelten Gravasternen zu.“ Während der Gravastern nach Mazur und Mottola eine nahezu unendlich dünne Haut aus normaler Materie habe, hat der Nestar eine etwas dickere Materiehülle: „Man kann sich etwas leichter vorstellen, dass es so etwas geben könnte.“

Luciano Rezzolla, Professor für theoretische Astrophysik an der Goethe-Universität, erläutert: „Es ist toll, dass es auch 100 Jahre nach Schwarzschilds erster Lösung der Einstein’schen Feldgleichungen aus der allgemeinen Relativitätstheorie noch möglich ist, neue Lösungen zu finden. Das ist ein bisschen so, wie wenn man in einer vermeintlich erschöpften Mine auf eine Goldader stößt. Leider haben wir noch keine Vorstellung davon, wie solch ein Gravastern entstehen könnte. Doch selbst wenn Nestare nicht existieren sollten, hilft uns die Erforschung der mathematischen Eigenschaften dieser Lösungen letztlich dabei, Schwarze Löcher besser zu verstehen.“

Publikation:
Daniel Jampolski, Luciano Rezzolla: Nested solutions of gravitational condensate stars. Classical Quantum Gravity (2023) https://doi.org/10.1088/1361-6382/ad2317
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ad2317

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Quelle: Leibniz Universität Hannover und ZARM 13. Juli 2023.

13. Juli 2023 – Eine der grundlegendsten Annahmen in der fundamentalen Physik besagt, dass die verschiedenen Eigenschaften von Masse – Schwere, Trägheit und Anziehungskraft – im Verhältnis zueinander immer gleich bleiben. Wäre diese Äquivalenz nicht gegeben, würde das der Einsteinschen Relativitätstheorie widersprechen und unsere aktuellen Physikbücher müssten umgeschrieben werden. Obwohl alle bisherigen Messungen das Äquivalenzprinzip bestätigen, müsste es aus quantentheoretischer Sicht eigentlich eine Verletzung geben. Diese Unvereinbarkeit zwischen der Einsteinschen Gravitationsphysik und der modernen Quantentheorie ist der Grund, warum immer genauere Tests des Äquivalenzprinzips einen so hohen Stellenwert haben. Einem Team des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen ist es nun zusammen mit dem Institut für Erdmessung (IfE) der Leibniz Universität Hannover gelungen, mit 100-facher verbesserter Genauigkeit nachzuweisen, dass schwere und anziehende Masse immer gleich – also äquivalent – sind, unabhängig von der speziellen Zusammensetzung der jeweiligen Massen. Diese Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen des Exzellenzclusters „QuantumFrontiers“ und wurden heute in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ als Highlight-Artikel veröffentlicht.

Physikalischer Hintergrund
Die träge Masse widersetzt sich der Beschleunigung und sorgt z. B. dafür, dass man beim Anfahren eines Autos nach hinten in den Sitz gedrückt wird. Die schwere Masse reagiert auf die Gravitation und sorgt auf der Erde für unser Gewicht. Die anziehende Masse bezieht sich auf die Anziehungskraft, die ein Körper ausübt, genauer gesagt die Größe seines Gravitationsfeldes. Für die Allgemeine Relativitätstheorie ist die Äquivalenz dieser Eigenschaften von grundlegender Bedeutung. Daher wird sowohl die Gleichheit von träger und schwerer Masse als auch die Gleichheit von schwerer und anziehender Masse mit immer höherer Genauigkeit getestet.

Was wurde untersucht?
Würde man hypothetisch davon ausgehen, dass schwere und anziehende Masse nicht gleich wären – ihr Verhältnis also vom Material abhängt – würden sich Objekte, die aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Massenmittelpunkten bestehen, selbst beschleunigen. Da der Mond aus einer Aluminiumhülle und einem Eisenkern besteht, deren Massenmittelpunkte gegeneinander versetzt sind, müsste sich dann eine Beschleunigung des Mondes ergeben. Diese hypothetische Geschwindigkeitsänderung könnte man dank des „Lunar Laser Ranging“ mit hoher Genauigkeit ausmessen. Dabei werden Laser von der Erde auf die Spiegel ausgerichtet, die von den Apollo-Missionen und dem sowjetischen Luna-Programm auf dem Mond platziert wurden. Seitdem werden die Laufzeiten der Laserstrahlen aufgezeichnet. Das Forschungsteam konnte nun die Daten des „Lunar Laser Ranging“ von über 50 Jahren, d. h. von 1970 bis 2022, analysieren und auf solche „Massenungleichheits“-Effekte untersuchen. Da kein Effekt zu finden war, bedeutet dies, dass die schwere und anziehende Masse bis auf ca. 14 Nachkommastellen gleich ist. Das ist eine um zwei Größenordnungen bessere Abschätzung gegenüber der bisher besten Untersuchung von 1986.

Weltweit führend
Über diese neuesten Forschungsergebnisse zur Gleichheit der schweren und anziehenden Masse hinaus war das ZARM auch wesentlich an verbesserten Resultaten zu Gleichheit der trägen und schweren Masse beteiligt. Damit hat das Forschungsinstitut an der Universität Bremen bei allen Experimenten zum Äquivalenzprinzip maßgeblich dazu beigetragen, die Präzision der Ergebnisse erheblich zu verbessern.

Publikation:
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021401.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.021401.

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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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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Frankfurt 20. Mai 2021 – Den Tests zufolge stimmt die Größe des Schattens von M87* sehr gut überein mit den Eigenschaften eines schwarzen Lochs, wie die allgemeine Relativitätstheorie erwarten lässt, anderen Theorien hingegen hinsichtlich der Eigenschaften des schwarzen Lochs aber Grenzen setzt. Die EHT-Kollaboration hatte 2019 das erste Bild eines schwarzen Lochs veröffentlicht, das sich im Zentrum der Galaxie M87 befindet.

Wie der deutsche Astronom Karl Schwarzschild erstmals aufzeigte, krümmen schwarze Löcher aufgrund ihrer extremen Konzentration an Masse die Raumzeit extrem stark und heizen die Materie in ihrer Umgebung auf, sodass diese anfängt zu leuchten. Der neuseeländische Physiker Roy Kerr konnte zeigen, dass Rotation die Größe eines schwarzen Lochs und den Raum in seiner Umgebung ändert. Den „Rand“ eines schwarzen Lochs stellt der so genannte Ereignishorizont dar, die Grenze um die Massekonzentration herum, jenseits der Licht und Materie nicht entkommen können und die das schwarze Loch schwarz macht. Schwarze Löcher können, so sagen Theorien es voraus, durch eine Reihe von Eigenschaften beschrieben werden, durch ihre Masse, Rotation („Spin“) und eine Vielzahl möglicher Ladungen.

Zusätzlich zur Beschreibung von schwarzen Löchern nach der allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich schwarze Löcher etwa mit Theorien beschreiben, die sich aus der String-Theorie herleiten. Diese Art von Theorien nimmt ein zusätzliches skalares Feld in der zugrundeliegenden Physik an, das bei schwarzen Löchern zu beobachtbaren Veränderungen in ihrer Größe wie auch der Krümmung des Raums in ihrer Umgebung führt.

Die Physiker Dr. Prashant Kocherlakota und Prof. Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt haben nun erstmals überprüft, wie die verschiedenen Theorien zu den Beobachtungsdaten des schwarzen Lochs M87* im Zentrum der Galaxie Messier 87 passen. Das Bild von M87*, das 2019 von der weltumspannenden Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration gemacht wurde, war nach der Messung von Gravitationswellen 2015 der erste experimentelle Beweis für die tatsächliche Existenz von schwarzen Löchern.

Das Ergebnis der Frankfurter Untersuchungen: Die Daten von M87* stimmen vollständig überein mit den auf Einstein basierenden Theorien und zu einem gewissen Teil mit den String-basierten Theorien. Dr. Prashant Kocherlakota erklärt: „Durch die von der EHT-Kollaboration aufgezeichneten Daten können wir nun verschiedene Theorien zu schwarzen Löchern testen. Derzeit können wir noch keine der Theorien zur Beschreibung des Schattens von M87* verwerfen, aber mit unseren Berechnungen schränken wir den Gültigkeitsraum der Modelle von schwarzen Löchern ein.“

Prof. Luciano Rezzolla meint: „Die Idee eines schwarzen Lochs ist für uns theoretische Physiker gleichzeitig eine Quelle von Problemen und der Inspiration. Während wir immer noch mit einigen der Konsequenzen von schwarzen Löchern kämpfen wie zum Beispiel den Phänomenen ‚Ereignishorizont‘ oder ‚Singularität‘, freuen wir uns, wenn wir Lösungen zur Beschreibung von schwarzen Löchern in immer weiteren Theorien finden. Ergebnisse wie die jetzt von uns vorgestellten sind daher wichtig, um zu bestimmen, welche Theorien plausibel sind und welche nicht. Neue Beobachtungen schwarzer Löcher werden unsere ersten Eingrenzungen der Theorien weiter präzisieren.“

In der Event-Horizon-Telescope-Kollaboration sind Teleskope von Observatorien rund um den Globus zu einem virtuellen Riesenteleskop zusammengeschaltet, dessen Schüssel so groß ist wie die Erde selber. Mit der Präzision dieses Teleskops könnte man von einem Straßencafé in Berlin aus eine Zeitung in New York lesen.

Publikation:
Prashant Kocherlakota, Luciano Rezzolla, Heino Falcke, Christian M. Fromm, Michael Kramer, Yosuke Mizuno, Antonios Nathanail, H´ector Olivares, Ziri Younsi et. al. (The Event Horizon Telescope collaboration), Constraints on black-hole charges with the 2017 EHT observations of M87*. Physical Review D, vol 103 PDF.

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Multifrequenzbeobachtungen von M87* (14. April 2021)
• Magnetfelder am Rand von Schwarzem Loch in M87 (24. März 2021)
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• M87: Verdrillter Jet und schwach polarisierter Kern (2. Juli 2020)
• Das erste Bild eines schwarzen Lochs (11. Mai 2019)
• Das massereichste schwarze Loch (9. Juni 2009)

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• Event Horizon Telescope „EHT“

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Astronomen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat mit extrem hoher Präzision vermessen, dass sich Neutronensterne und Weiße Zwerge in einem Schwerefeld mit gleicher Beschleunigung bewegen. Dies gelang ihnen, indem sie die Bewegung des Pulsars PSR J0337+1715, eines Neutronensterns in einem ungewöhnlichen Dreifachsternsystem mit zwei Weißen Zwergen als Begleiter äußerst präzise vermessen haben. Das Ergebnis, erhalten durch eine neue stringente Untersuchungsmethode und die Verknüpfung von neuen Radioteleskopbeobachtungen mit den neuesten Ergebnissen von Gravitationswellendetektoren, bedeutet die bisher beste Überprüfung einer der fundamentalsten Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie, dass nämlich die Schwerkraft alle Objekte mit der gleichen Beschleunigung anzieht, unabhängig von deren Zusammensetzung, Dichte oder Stärke des eigenen Gravitationsfeldes.

Diese Erkenntnis bezeichnete Einstein als seinen „glücklichsten Gedanken“, da sie ihn schlussendlich zur allgemeinen Relativitätstheorie führte. Dies gilt sogar im extremen Fall von Neutronensternen, bei denen die Raumzeit viele Billionen mal stärker gekrümmt wird als bei Planeten und selbst bei der Sonne. Vielleicht deutlicher als jeder vorhergehende Test zeigt dieses Ergebnis, dass die allgemeine Relativitätstheorie eine tiefere Wahrheit der Natur erfasst.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Ein Test für die Universalität des freien Falls
Der Pulsar PSR J0337+1715 in Richtung des Sternbilds Stier (Taurus) ist ein Neutronenstern von 1,44 Sonnenmassen, der sich 366mal pro Sekunde um die eigene Achse dreht und dabei einem Leuchtturm gleich regelmäßige Radiopulse in dieser Frequenz Richtung Erde sendet. Er bildet eine Komponente in einem außergewöhnlichen Dreifachsternsystem, in gegenseitiger Wechselwirkung mit zwei weiteren Sternen, beides Weiße Zwerge (vgl. Abb. 1). Ein Weißer Zwerg ist ein recht exotisches Objekt, nämlich ein Stern von ungefähr Erdgröße, aber mit einer Dichte von vielen Hundert Kilogramm pro Kubikzentimeter in seinem zentralen Bereich. Verglichen mit Weißen Zwergen sind Neutronensterne aber noch wesentlich extremer. Mit einer Masse größer als die unserer Sonne zusammengequetscht in einem Gebiet von nur etwas mehr als 20 km Durchmesser erreichen sie zentrale Dichten von mehr als einer Milliarde Tonnen im Volumen eines Zuckerwürfels.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Guillaume Voisin (Jodrell Bank Centre for Astrophysics/UK und Observatoire de Paris), unter Beteiligung von Paulo Freire, Norbert Wex und Michael Kramer vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) sowie Wissenschaftlern aus mehreren Forschungsinstituten in Frankreich, hat mit dem Nançay-Radioteleskop in der Sologne-Region in Frankreich (Abb. 2) die Ankunftszeiten der Radiopulse von PSR J0337+1715 über einen Zeitraum von acht Jahren genau vermessen. Als Ergebnis können die Wissenschaftler nun zeigen, dass Neutronensterne und Weiße Zwerge sich mit einer Genauigkeit von zwei Teilen pro Million mit gleicher Beschleunigung in einem Schwerefeld bewegen.

Diese fundamentale Eigenschaft, bekannt unter dem Stichwort “Universalität des freien Falls“, bildet die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. „Die Bestätigung mit dieser Genauigkeit stellt einen der bisher überzeugendsten Tests überhaupt für Einsteins Theorie dar – und die Theorie besteht den Test mit Bravour“, sagt Dr. Guillaume Voisin. „Das bedeutet, dass für alternative Theorien der Schwerkraft, die in Konkurrenz zur allgemeinen Relativitätstheorie zum Beispiel zur Erklärung der „Dunklen Energie“ vorgeschlagen werden, enge Grenzen gesetzt werden.“

Was ist die Universalität des freien Falls?
Die Universalität des freien Falls ist eine einzigartige Eigenschaft der Gravitation. Im Unterschied zu allen anderen Wechselwirkungen in der Natur zieht die Schwerkraft alle materiellen Objekte mit gleicher Beschleunigung an. Galileo Galilei hat angeblich eine Reihe unterschiedlich großer Gewichte vom Schiefen Turm von Pisa aus herunterfallen lassen, um dies zu überprüfen. Später hat Isaak Newton diesen Sachverhalt als fundamentale Eigenschaft der Gravitation bezeichnet, ohne es indes näher zu erklären. Die höchste Genauigkeit bei der Überprüfung der Universalität des freien Falls konnte bisher mit einem speziell dafür entwickelten Satelliten namens MICROSCOPE erreicht werden, der vom französischen „Centre Nationale d’Études Spatiales“ entwickelt wurde. Die kleinen Prüfmassen im Inneren des Satelliten zeigen eine identische Beschleunigung im Schwerefeld der Erde bis zu einer Genauigkeit von 1 zu 10¹⁴ (oder 1 zu 100 Billionen).

Einsteins glücklichster Gedanke
Nach der Veröffentlichung seiner speziellen Relativitätstheorie im Jahr 1905 begann Einstein darüber nachzudenken, wie er seine neue Theorie mit der Gravitation zusammenbringen könnte, da Newtons Gravitationsgesetz mit dem Relativitätsprinzip in der speziellen Relativitätstheorie unvereinbar ist. Im Herbst 1907 kam ihm ein entscheidender Gedanke, dass es einem Beobachter im freien Fall genauso erscheint, als ob die Gravitation ausgeschaltet worden wäre. Aufgrund der Universalität des freien Falls wird nämlich alles in seinem Umfeld auf die gleiche Weise beschleunigt. Diese einfache aber trotzdem tiefgreifende Erkenntnis brachte Einstein schließlich dazu, die Gravitation als ein Resultat der gekrümmten Raumzeit anzusehen, die in gleicher Art auf alle Massen einwirkt und ein Schlüsselkonzept der allgemeinen Relativitätstheorie darstellt. Er hat diese plötzliche Eingebung später als „den glücklichsten Gedanken meines Lebens“ bezeichnet.

Da Experimente wie der MICROSCOPE-Satellit die Universalität des freien Falls mit derart hoher Genauigkeit bestätigen konnten, haben die meisten Gravitationstheorien inklusive der allgemeinen Relativitätstheorie selbst Einsteins Erkenntnis als Grundvoraussetzung integriert. Das heißt, dass alle diese Theorien die Gravitation als geometrisches Phänomen beschreiben, das aus der Krümmung der Raumzeit resultiert. Die anderen Theorien unterscheiden sich von der allgemeinen Relativitätstheorie nur dadurch, wie die Raumzeit durch die Massen großer Objekte verbogen wird, was sich durch radioastronomische Beobachtungen von Neutronensternen besonders gut testen lässt.

Wie unterscheidet sich die allgemeine Relativitätstheorie von anderen Theorien der Schwerkraft?
Obwohl alle die genannten Theorien vorhersagen, dass kleine Objekte sich mit identischer Beschleunigung im gleichen Gravitationsfeld bewegen, ist der Sachverhalt nicht mehr so einfach, wenn es sich statt kleiner Körper um astronomische Objekte mit großer Masse handelt, die durch die Gravitation selbst zusammengehalten werden. In diesem Fall vermittelt die allgemeine Relativitätstheorie das einfachste Bild, dass nämlich die Universalität des freien Falls auch für solche „selbstgravitierenden“ Objekte gilt, während viele alternative Theorien zur Gravitation Abweichungen von einer universellen Beschleunigung vorhersagen. Diese Abweichungen vergrößern sich in der Regel in dem Maß, mit dem die Raumzeit durch die Masse des Objekts selbst verkrümmt wird. Für Objekte wie die Erde, die Sonne und selbst weiße Zwergsterne ist das Maß der Raumkrümmung ziemlich klein. Im Vergleich dazu ist die Raumkrümmung bei Neutronensternen Millionen bis Billionen mal stärker. In Gravitationstheorien, die eine Verletzung der Universalität des freien Falls in Bezug auf die Eigengravitation der Objekte vorhersagen, ist das Ausmaß dieser Verletzung im Fall von Neutronensternen generell wesentlich stärker als bei allen anderen Objekten.

Ein Pulsar in einem Dreifach-Sternsystem
Im Jahr 2014 entdeckten Radioastronomen, dass der Pulsar PSR J0337+1715 zusammen mit zwei Weißen Zwergen ein Dreifachsternsystem bildet. Dieses System stellt ein ideales Labor dar, um die Universalität des freien Falls für einen Neutronenstern zu überprüfen. Durch die systematische Erfassung der Bewegung des Pulsars aufgrund seiner Radiosignale konnte nun ein hochpräziser Test durchgeführt werden, der zeigt, ob der Pulsar sich mit der gleichen Beschleunigung im Gravitationsfeld des äußeren Weißen Zwergs bewegt wie der benachbarte „innere“ Weiße Zwerg. Der neue Test verbessert frühere Untersuchungen des gleichen Systems in zweifacher Hinsicht. Zum einen liefert er einen schärferen Grenzwert für einen Unterschied in der Schwerebeschleunigung zwischen Pulsar und innerem Weißen Zwerg, zum anderen verwendet er Ergebnisse zu den Eigenschaften von Neutronensternen, die sich aus der vernichtenden Kollision zweier Neutronensterne ergeben, die mit den LIGO/VIRGO-Gravitationswellenobservatorien beobachtet werden konnte. „Der zweite Aspekt ist besonders wichtig in Hinblick auf die Abgrenzung der allgemeinen Relativitätstheorie zu alternativen Gravitationstheorien“, erklärt Dr. Norbert Wex vom MPIfR, ein Ko-autor der Veröffentlichung.

PSR J0337+1715 zeigt uns also, dass Einsteins geniale Einsicht auch bei so extremen Objekten wie Neutronensternen zutrifft, die erst ein halbes Jahrhundert nach der Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie entdeckt wurden. „Vielleicht mehr als in allen vorhergehenden Studien zeigt dieses Ergebnis, dass Einsteins glücklichster Gedanke tatsächlich eine fundamentale Aussage über die Gravitation und die innere Funktion der Natur darstellt“, schließt Dr. Paulo Freire, ein weiterer Ko-autor vom MPIfR.

Hintergrundinformation
Die Überprüfung der Universalität des freien Falls mit einem Pulsar in einem Dreifachsternsystem ist vergleichbar mit einem klassischen Test, der im Lauf der vergangenen 50 Jahre regelmäßig durchgeführt worden ist, dem sogenannten „Lunar Laser Ranging“ (LLR).

Wie bereits erwähnt, sagen eine Reihe von alternativen Theorien der Gravitation im Gegensatz zur allgemeinen Relativitätstheorie voraus, dass astronomische Objekte in einem Gravitationsfeld unterschiedlich beschleunigt werden, und zwar abhängig vom Ausmaß der von ihnen selbst erzeugten Krümmung der Raumzeit. Diesen Theorien zufolge sollten sich also die Erde und der Mond im Schwerefeld der Sonne mit geringfügig unterschiedlicher Beschleunigung bewegen, da nämlich die Erde im Vergleich zum Mond eine größere Krümmung der Raumzeit hervorruft.

Aus diesem Grund hat Kenneth Nordtvedt bereits in den 1960er Jahren vorgeschlagen, die auf der Mondoberfläche von amerikanischen Astronauten und sowjetischen Rover-Missionen installierten Retroreflektoren zu verwenden, um zu überprüfen, ob sich Erde und Mond mit gleicher Beschleunigung im Schwerefeld der Sonne bewegen. Mit Hilfe von Laserstrahlen in Richtung Mond, die von den Retroreflektoren zurückreflektiert wurden, war es möglich, die Entfernung zwischen Sender und Reflektor mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern zu vermessen. Die Ergebnisse stimmen mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie überein und zeigen, dass Erde und Mond sich mit einer Genauigkeit von 1 zu 10¹³ (1 zu 10 Billionen) mit identischer Beschleunigung im Gravitationsfeld der Sonne bewegen.

Trotz der hohen Genauigkeit hat dieser Test aber einen entscheidenden Nachteil. Er liegt in dem geringen Ausmaß der Krümmung der Raumzeit durch Erde oder Mond. Neutronensterne sind im Vergleich dazu viel extremere Objekte. In einem Durchmesser von nur wenig über 20 Kilometern konzentrieren sie eine Masse, die größer ist als die der Sonne, und einige Hunderttausend mal größer als die Masse der Erde. Ihre zentralen Dichten von rund einer Milliarde Tonnen pro Kubikzentimeter machen sie zur dichtgepacktesten Form von Materie im gegenwärtigen Universum. Als Ergebnis ist die von ihnen hervorgerufene Krümmung der Raumzeit 10¹⁴ (oder 100 Billionen) mal stärker als die der Erde; Neutronensterne verursachen also ein extrem starkes Gravitationsfeld.

Das Experiment mit dem Pulsar im Dreifachsternsystem ist in einer Reihe von Aspekten vergleichbar mit dem „Lunar Laser Ranging“-Experiment. Der Pulsar ist in einem Orbit mit 1,6 Tagen Umlaufdauer mit dem inneren Weißen Zwerg (von 0,2 Sonnenmassen). Das lässt sich vergleichen mit dem Erde-Mond-System. Der äußere Weiße Zwerg von 0,4 Sonnenmassen wiederum ist in einem Orbit von 327 Tagen Umlaufdauer mit dem inneren Binärsystem und damit vergleichbar mit der Sonne, in deren Gravitationspotential sich das Erde-Mond-System bewegt. Statt des LLR dort erfolgt hier nun die präzise Analyse des Pulsar-Radiosignals. Das hat nicht annähernd die Genauigkeit der Lasermessung; statt einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern wird im Fall des „Pulsar Timings“ eine Genauigkeit von einigen Hundert Metern erzielt. Das ist einer der Gründe, warum die Pulsarmessung der Universalität des freien Falls mit 2 zu 106 wesentlich weniger genau ist als das LLR mit 1 zu 10¹³. Aber wie bereits erwähnt, gibt es einen wichtigen Unterschied. Die Krümmung der Raumzeit durch den Pulsar ist um so vieles stärker, dass so manche alternative Theorie der Gravitation, die den hochpräzisen LLR-Test mit Bravour besteht, im starken Feld des Neutronensterns jedoch versagt.

Zum Forscherteam gehören Guillaume Voisin, Ismael Cognard, Paulo Freire, Norbert Wex, Lucas Guillemot, Gregory Desvignes, Michael Kramer, und Gilles Theureau. Drei der Autoren, Paulo Freire, Norbert Wex und Michael Kramer, sind Mitarbeiter des MPIfR.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie führt die Rotation eines massereichen Objekts zu einer Verwirbelung der Raumzeit in seiner unmittelbaren Umgebung. Dieser Effekt konnte im Gravitationsfeld der Erde bereits durch Satellitenexperimente mit hoher Genauigkeit vermessen werden. Mit Hilfe eines Radiopulsars ist es nun einem internationalen Forscherteam unter wesentlicher Beteiligung von Wissenschaftlern des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie gelungen, die entsprechende Verwirbelung der Raumzeit bei einem schnell rotierenden Weißen Zwerg zu vermessen und damit die Theorie zur Entstehung eines einzigartigen Doppelsternsystems zu bestätigen.

Das Ergebnis wird in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Im Jahre 1999 wurde mit Hilfe des Parkes-Radioteleskops in Australien im Sternbild Fliege (Musca) – ganz in der Nähe des berühmten Sternbilds Kreuz des Südens – ein besonderes Doppelsternsystem entdeckt. In diesem System umkreisen sich der Radiopulsar PSR J1141-6545 und ein relativ massereicher Weißer Zwerg in einer Umlaufzeit von nur knapp fünf Stunden. Ein Radiopulsar ist ein schnell rotierender Neutronenstern, der entlang seiner magnetischen Pole Radiostrahlung aussendet. “Die Umlaufbahn dieses Pulsars ist etwas ganz Besonderes. Er erreicht auf seiner Bahn Geschwindigkeiten von fast einer Million Stundenkilometern, wobei der maximale Abstand zwischen beiden Partnern kaum größer ist als der Durchmesser unserer Sonne”, erklärt Dr. Vivek Venkatraman Krishnan, Erstautor der Veröffentlichung und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, der die Datenanalyse und wichtige Teile der Beobachtungen von Pulsar J1141-6545 als Doktorand der Swinburne-Universität in Australien durchgeführt hat.

Anders als in den meisten Doppelsternsystem, die aus einem Pulsar und einem Weißen Zwerg bestehen, deuten theoretische Modelle für das PSR J1141-6545-System darauf hin, dass der Weiße Zwerg vor dem Pulsar entstanden ist. Eine wichtige Vorhersage dieser Modelle ist, dass vor der Supernovaexplosion, die den Pulsar gebildet hat, ein erheblicher Materietransfer vom Vorgängerstern des Pulsars auf den Weißen Zwerg stattgefunden hat. Das führte zu einer enormen Beschleunigung der Eigenrotation des Weißen Zwerges. „Ein Nachweis dieser Rotation wäre ein wichtiger Test für unsere Modelle zur Entwicklung von Doppelsternsystemen”, sagt Prof. Thomas Tauris, Koautor und Experte für Neutronensterne und Weiße Zwerge an der Universität Aarhus in Dänemark.

Die übliche Messmethode zur Bestimmung der Rotation eines Sterns liegt in der Untersuchung seiner Spektrallinien. Doch wie soll man die Rotation des Weißen Zwerges messen, der extrem leuchtschwach ist und keinerlei Spektrallinien zeigt? Die Antwort kommt aus unerwarteter Richtung und führt mehr als 100 Jahre zurück in die Vergangenheit der theoretischen Physik.

Noch bevor Albert Einstein im November 1915 seine allgemeine Relativitätstheorie zum Abschluss brachte, erkannte er bereits, dass in einer Theorie, in der sich Gravitation als gekrümmte Raumzeit manifestiert – anders als in der Newtonschen Gravitationstheorie – die Rotation einer Masse einen direkten Beitrag zum Gravitationsfeld liefert. Etwas salopper ausgedrückt, verwirbelt die Rotation einer Masse die Raumzeit in ihrer Umgebung. Basierend auf der allgemeinen Relativitätstheorie haben Josef Lense und Hans Thirring bereits im Jahr 1918 – mit wesentlicher Unterstützung von Albert Einstein – diesen Effekt für unser Sonnensystem untersucht. Dabei haben sie insbesondere berechnet, wie stark die Verwirbelung der Raumzeit durch die Rotation der Sonne die Bewegung der Planeten beeinflusst. Die beiden kamen zu dem Schluss, dass der Effekt, später auch Lense-Thirring-Effekt genannt, für einen Nachweis bei weitem zu klein sei.

Doch inzwischen ist die Technologie wesentlich weiter fortgeschritten und der durch die Erdrotation hervorgerufene Lense-Thirring-Effekt konnte mit Hilfe von Satellitenexperimenten wie Gravity Probe B oder Laserentfernungsmessungen zu den drei Satelliten LAGEOS-1, LAGEOS-2 und LARES erfolgreich bestätigt werden. Während der Effekt bei Gravity Probe B mit vier äußerst präzisen Gyroskopen gemessen wurde, ist es bei den LAGEOS-Satelliten eine langsame Präzession der Orbitalebene der Satelliten in Richtung der Erdrotation, die sogenannte „Lense-Thirring-Präzession”, die inzwischen auf eine Genauigkeit von etwa 2% bestimmt werden konnte, in Übereinstimmung mit der Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie. Die durch den Lense-Thirring-Effekt verursachte Drehung der Satellitenbahnen ist extrem klein. Bei LAGEOS-1 zum Beispiel, der eine fast kreisförmige Bahn mit einem Radius von ca. 12.300 km hat, dreht sich die Bahnebene lediglich um 0,0000086 Grad pro Jahr; das entspricht einer vollen Drehung um 360 Grad in ca. 40 Millionen Jahren.

Ganz anders sähe dies bei dem Weißen Zwerg im Doppelsternsystem von Pulsar J1141-6545 aus, vorausgesetzt, die Modelle der Sternentwicklung haben recht. Der Weiße Zwerg, der etwas kleiner als die Erde ist, aber mit 340.000 Erdmassen etwa so viel Masse wie die Sonne hat, sollte sich demnach bereits in wenigen Minuten um seine eigene Achse drehen. „Bei so einem Weißen Zwerg würde sich die Bahnebene des LAGEOS-1-Satelliten um mehrere Grad pro Tag verschieben, denn dort wird die Raumzeit größenordnungsmäßig 100 Millionen mal stärker verwirbelt als dies bei der Erde der Fall ist”, erklärt Dr. Norbert Wex, Koautor und Spezialist für allgemeine Relativitätstheorie am MPIfR.

Nun kann man keine Satelliten um den mehrere tausend Lichtjahre (oder einige Hundert Billiarden Kilometer) entfernten Weißen Zwerg positionieren. Im vorliegenden Fall gibt es jedoch einen Pulsar, dessen Radiosignale uns eine entsprechende Vermessung der Bahn erlauben, wie bei LARES und LAGEOS-1 & 2 mit Laserstrahlen. „Durch eine hochgenaue Messung der Ankunftszeiten der Pulsarsignale an den australischen Parkes- und UTMOST-Radioteleskopen mit Hilfe von Atomuhren konnten wir die Bewegung des Pulsars in seiner Bahn mit einer Genauigkeit von 30 km verfolgen, und das über einen Zeitraum von fast zwanzig Jahren”, erläutert Dr. Vivek Venkatraman Krishnan. “Das ermöglichte uns eine präzise Messung sowohl des Durchmessers als auch der Orientierung der Umlaufbahn.”

Im Abstand des Pulsars vom Weißen Zwerg ist die Raumzeit-Verwirbelung zwar etwa eine Million Mal schwächer als in der Entfernung einer LAGEOS-1-ähnlichen Bahn, aber dennoch führt die Lense-Thirring-Präzession über einen derart langen Zeitraum zu einer Drehung der Pulsarbahn um etwa 150 km. „Die Beobachtungen des Pulsars J1141-6545 zeigen eine Abweichung, die aufgrund detaillierter Berechnungen und nach Ausschluss einer ganzen Reihe möglicher Fehlerquellen jetzt eindeutig die Änderung in der Orientierung der Bahnebene bestätigt”, erklärt Dr. Willem van Straten, Koautor und Wissenschaftler an der Auckland University of Technology in Neuseeland.

Eine sorgfältige Analyse der Messungen des Pulsars J1141-6545 unter Einbeziehung des Lense-Thirring-Effekts ermöglicht die Abschätzung der Rotationsperiode des Begleiters mit einem Resultat von ca. 100 Sekunden. Das liegt in hervorragender Übereinstimmung damit, dass bevor sich der Pulsar in einer Supernova-Explosion vor ungefähr 1,5 Millionen Jahren gebildet hat, ein erheblicher Massenabfluss vom Vorgängerstern des Pulsars auf den Weißen Zwerg erfolgte. „Hier hat uns Albert Einstein ein Werkzeug an die Hand gegeben, um in Zukunft noch mehr über Pulsare und ihre Begleiter herauszufinden.”, ergänzt Prof. Matthew Bailes, Koautor und Wissenschaftler an der Swinburne-Universität in Australien.

Neu errichtete Radioteleskope und Radioteleskop-Projekte der Zukunft wie MeerKAT und das Square Kilometre Array (SKA) werden eine zentrale Rolle für das Verständnis dafür spielen, wie sich Einsteins Relativitätstheorie in solch extremen Umgebungen im Kosmos auswirkt. „Mit der Erwartung, dass das SKA noch eine Vielzahl weiterer exotischer Doppelsternsysteme dieser Art entdecken wird, werden wir in der Lage sein, eine ganze Reihe weiterer Effekte zu erforschen, wie sie von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt werden”, schließt Dr. Evan Keane, Koautor der Veröffentlichung und Wissenschaftler bei der SKA-Organisation in Großbritannien.

Videosequenz zum PSR J1141-6545 Pulsar-Doppelsternsystem, in englischer Sprache. Copyright: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

Das Forscherteam umfasst V. Venkatraman Krishnan, M. Bailes, W. van Straten, N. Wex, P. C. C. Freire, E. F. Keane, T. M. Tauris, P. A. Rosado, N. D. R. Bhat, C. Flynn, A. Jameson und S. Osłowski. Folgende Autoren haben eine MPIfR-Affiliation: Vivek Venkataraman Krishnan, der Erstautor, sowie Norbert Wex, Paulo Freire und Thomas Tauris.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Pulsare in Doppelsternsystemen werden durch relativistische Effekte beeinflusst, die zur zeitlichen Änderung der Ausrichtung der Rotationsachsen führen. Einem Forscherteam unter der Leitung von Gregory Desvignes vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie ist es gelungen, über langjährige Radiobeobachtungen des Pulsars PSR J1906+0746 die Struktur der polarisierten Strahlung aus Richtung des Magnetpols aufzulösen und das Verschwinden beobachtbarer Radiostrahlung für das Jahr 2028 vorherzusagen. Die Beobachtungsergebnisse für dieses System bestätigen erstmals die Gültigkeit eines 50 Jahre alten theoretischen Modells, das die Strahlung des Pulsars mit seiner geometrischen Ausrichtung verbindet. Den Forschern war es außerdem möglich, die Änderungsrate der Rotationsrichtung präzise zu bestimmen. Die Werte liegen in hervorragender Übereinstimmung mit den Vorhersagen aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie.

Das Experiment stellt den bisher genauesten Test für den Effekt der Spinpräzession in einem starken Gravitationsfeld dar. Darüber hinaus gibt die Auflösung der Struktur der Radiostrahlung des Pulsars Hinweise auf die Gesamtpopulation von Neutronensternen und die erwartete Beobachtungsrate für die Verschmelzung von Neutronensternen mit Gravitationswellendetektoren wie z.B. LIGO.

Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift „Science“, Ausgabe vom 6. September 2019, veröffentlicht.

Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die das Anderthalbfache der Masse der Sonne – oder sogar mehr! – in einem sehr kleinen Bereich von nur ungefähr 20 km Durchmesser konzentrieren. Sie haben extrem starke Magnetfelder und senden einen stark gebündelten Strahl von Radiowellen von beiden Magnetpolen aus. Aufgrund ihrer sehr stabilen Rotation gibt es, ähnlich wie bei einem Leuchtturm, regelmäßig auftretende (“pulsierende”) Signale, die mit der Genauigkeit einer Atomuhr auf der Erde eintreffen. Die riesigen Massen, die Kompaktheit der Quelle und die Eigenschaften einer hochgenauen Uhr ermöglichen es den Astronomen, Pulsare als Laboratorien für die Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins zu verwenden.

Einsteins Theorie besagt, dass die Raumzeit durch massereiche Körper wie z.B. Pulsare gekrümmt wird. Eine Auswirkung davon ist die sogenannte relativistische Spinpräzession von Pulsaren in Doppelsternsystemen. Sie entsteht infolge einer Neigung zwischen den Rotationsachsen des Pulsars und der Ausrichtung des Gesamtdrehmoments, die vermutlich durch die vorhergehende Supernovaexplosion bei der Geburt des Pulsars verursacht wurde. Diese Präzession führt zu einer Änderung in der Sichtgeometrie, die durch die systematische Beobachtung der Pulsprofile über einen längeren Zeitraum experimentell verfolgt werden kann.

Erste Belege für ein veränderliches Pulsprofil, das von Änderungen in der Sichtgeometrie aufgrund der Spinpräzession verursacht wird, wurden vorher bereits mit dem 100-m-Radioteleskop in Effelsberg in dem berühmten Hulse-Taylor-Binärpulsar B1913+16 (Nobelpreis für Physik 1993) gefunden und modelliert. Weitere Pulsare in Binärsystemen zeigen ebenfalls diesen Effekt, aber keiner von ihnen ermöglicht ähnlich präzise und detaillierte Untersuchungen wie nun PSR J1906+0746.

Es ist ein junger Pulsar, der sich in 144 Millisekunden einmal um die eigene Achse dreht und in einer vierstündigen Umlaufbahn in einem Doppelsternsystem um einen weiteren Neutronenstern kreist. Er befindet sich in Richtung des Sternbilds Adler in der Ebene der Milchstraße, recht nahe zum galaktischen Äquator.

„PSR J1906+0746 stellt ein einzigartiges Laboratorium für uns dar, in dem wir gleichzeitig die Physik der Radiostrahlung des Pulsars untersuchen und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie testen können”, sagt Gregory Desvignes vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, der Erstautor der Veröffentlichung.

Das Forscherteam hat diesen Pulsar in den Jahren von 2012 bis 2018 systematisch mit dem 305m-Arecibo-Radioteleskop bei einer Frequenz von 1,4 GHz beobachtet. Ergänzt wurden diese Messungen mit Archivdaten von den Radioteleskopen in Nançay/Frankreich und Arecibo/Puerto Rico aus den Jahren von 2005 bis 2009. Insgesamt sind es 47 Einzelbeobachtungen über einen Gesamtzeitraum von Juli 2005 bis Juni 2018.

Die Forscher fanden heraus, dass es anfangs noch möglich war, Strahlung von beiden entgegengesetzten magnetischen Polen des Pulsars zu erfassen, wobei sowohl der “nördliche” als auch der “südliche” Strahlungskegel (in der Originalveröffentlichung als “main pulse” und “interpulse” bezeichnet) einmal pro Umdrehung in Richtung Erde zeigten. Mit der Zeit konnte der nördliche Strahlungskegel nicht mehr beobachtet werden und nur der südliche blieb sichtbar. Auf der Grundlage einer detaillierten Untersuchung der Polarisation der gemessenen Radiostrahlung wurde nun ein bereits 50 Jahre altes, aber noch nie bewiesenes Modell angewandt, das einen Zusammenhang zwischen den Polarisationseigenschaften und der Geometrie des Pulsars herstellt. Die Beobachtungsdaten haben dieses Modell nun endlich bestätigt und ermöglichten es den Astronomen, die Rate der Spinpräzession mit weniger als 5% Abweichung zu bestimmen. Das ist eine höhere Genauigkeit als beim Doppelpulsar PSR J0737-3039, dem bisherigen Referenzsystem für solche Messungen. Das erhaltene Resultat stimmt hervorragend mit den Vorhersagen von Einsteins Theorie überein.

„Die Pulsare ermöglichen uns Tests von Gravitationstheorien, die wir auf keine andere Weise durchführen können”, fügt Ingrid Stairs von der Universität von British Columbia in Vancouver, hinzu, eine Ko-Autorin der Veröffentlichung. „Hier haben wir ein weiteres phantastisches Beispiel für einen solchen Test.“

Darüber hinaus kann das Team nun sowohl das Verschwinden als auch das Wiederauftauchen von nördlichem und südlichem Strahlungskegel des Pulsars PSR J1906+0746 vorhersagen. Der südliche Kegel wird um 2028 aus der Sichtlinie verschwinden und in den Jahren zwischen 2070 und 2090 wiederauftauchen. Der nördliche Kegel sollte im Zeitraum zwischen 2085 und 2105 wieder sichtbar werden.

Das Experiment erstreckte sich über insgesamt 14 Jahre und liefert zusätzlich interessante Ergebnisse zur noch wenig verstandenen Funktionsweise der Pulsare selbst. Dadurch, dass die Sichtlinie zur Erde den magnetischen Pol des Pulsars in nordsüdlicher Richtung überstrichen hat, konnte nicht nur eine Kartierung der Struktur des Pulsar-Strahlungskegels (analog zur Computertomographie in der Medizin) erstellt werden, sondern auch eine Untersuchung der physikalischen Bedingungen für die Radiostrahlung direkt über dem magnetischen Pol des Pulsars.

„Wir beobachten die Radiostrahlung von Pulsaren mittlerweile schon 52 Jahre lang, ohne richtig zu verstehen wo sie entsteht und wie sie zustande kommt“, erklärt Axel Jessner vom MPIfR, ein weiterer Ko-Autor der Veröffentlichung. „Mit diesen Messungen ist nun endlich geklärt, wo die Strahlung im Pulsarmagnetfeld entsteht. Dadurch haben wir nun die notwendigen Informationen, um auch das Rätsel ihres Erzeugungsmechanismus zu lösen.“

Die Kartierung der Struktur zeigt die tatsächliche Ausdehnung des Pulsar-Strahlungskegels, die die Größe des Himmelsabschnitts festlegt, der von dem Strahlungskegel ausgeleuchtet wird. Das wiederum beeinflusst die Vorhersage zur Anzahl von Neutronenstern-Binärsystemen in der Milchstraße und damit die erwartete Häufigkeit für die Entdeckung von Gravitationswellen bei der Verschmelzung von Neutronensternen.

„Wir haben eine lange Zeit dafür benötigt, dieses Experiment zu vollenden”, schließt Michael Kramer, Direktor und Leiter der Forschungsabteilung “Radioastronomische Fundamentalphysik” am MPIfR. „In diesen Tagen ist es leider üblich geworden, dass die Forschungsergebnisse sehr schnell zustande kommen müssen. Dabei kann uns dieser Pulsar noch soviel mehr erzählen. Geduld und Fleiß haben sich hier wirklich ausgezahlt.”

Die Autoren der Originalveröffentlichung in “Science” sind Gregory Desvignes, Michael Kramer, Kejia Lee, Joeri van Leeuwen, Ingrid Stairs, Axel Jessner, Ismaël Cognard, Laura Kasian, Andrew Lyne und Ben W. Stappers. Autoren aus dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) sind Gregory Desvignes, der Erstautor, sowie Michael Kramer und Axel Jessner.

Neben dem MPIfR sind Autoren aus folgenden Forschungseinrichtungen an der Veröffentlichung beteiligt: Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique, Observatoire de Paris, Université Paris-Sciences-et-Lettres, Centre National de la Recherche Scientifique, Sorbonne Université, Université de Paris, 5 place Jules Janssen, 92195 Meudon, France; Jodrell Bank Centre for Astrophysics, School of Physics and Astronomy, The University of Manchester, Manchester M13 9PL, UK; Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University, Beijing 100871, People’s Republic of China; ASTRON, The Netherlands Institute for Radio Astronomy, Postbus 2, 7990 AA Dwingeloo, The Netherlands; Astronomical Institute Anton Pannekoek, University of Amsterdam, Science Park 904, 1098 XH Amsterdam, The Netherlands; Department of Physics and Astronomy, University of British Columbia, Vancouver, BC V6T 1Z1, Canada; Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace, Centre National de la Recherche Scientifique-Université d’Orléans, F-45071 Orléans, France; sowie Station de radioastronomie de Nançay, Observatoire de Paris, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut national des sciences de l’Univers, F-18330 Nançay, France.

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Erstellt von Viktoria Schöneich. Quelle: LIGO

Gravitationswellen wurden erstmals 1916 von Albert Einstein postuliert – ein Jahr, nachdem er bereits seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte. Demnach erzeugen Bewegungen einer Masse im Raum eine Krümmung der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Die Amplitude dieser Welle und damit ihre „Stärke“ hängt maßgeblich von der bewegten Masse ab; d.h. der Finger, mit dem Sie diesen Artikel scrollen, erzeugt eine weitaus schwächere Welle als zwei verschmelzende schwarze Löcher. Dies ist auch das Ereignis, das man nun nachgewiesen hat: Die Welle hatte genau die Form, die von Einsteins Theorie für diesen Fall vorhergesagt wird.

Allerdings sind die Effekte von Gravitationswellen selbst bei einem so dramatischen Ereignis verhältnismäßig klein. Auf einer Strecke von 4 km wurde gerade einmal eine Längenänderung von einem Zeptometer detektiert. Zum Vergleich: der Durchmesser eines Protons ist etwas eine Million mal größer. Bei diesen Dimensionen ist es nicht verwunderlich, dass bereits Einstein daran zweifelte, ob die von ihm theoretisch vorhergesagten Wellen jemals gefunden werden würden.

Messtechniken
Angesichts des experimentell doch sehr schwierigen direkten Nachweises konzentrierte man sich zunächst einmal darauf, die Gravitationswellen indirekt nachzuweisen. Der Grundgedanke hierbei ist, dass die Energie, die die Welle transportiert, von irgendwo her kommen muss. Es muss sich also eine energetische Änderung des Ursprungssystems ergeben, die beobachtbar sein sollte. Tatsächlich konnten Hulse, Taylor und Weisberg im Jahr 1975 nachweisen, dass sich in einem binären Pulsarsystem die zwei Körper immer weiter annäherten. Der Verlust der Rotationsenergie entsprach dem Energiegehalt der vorhergesagten Welle. Diese Beobachtung brachte den Forschern den Nobelpreis ein.

Trotz der technischen Schwierigkeiten wurden bereits in den 60ern erste Versuche unternommen, Gravitationswellen direkt nachzuweisen. Zunächst geschah dies in Form von Resonanzdetektoren. Dabei wird eine oftmals zylindrische Testmasse störungsfrei aufgehängt und soll auf einen bestimmten Anteil der Gravitationswelle resonant reagieren, also das Signal der Welle verstärken. Der Nachteil an diesem Detektor ist, wie sich bereits erahnen lässt, dass er nur bestimmte Gravitationswellen nachweisen kann, da er nur bei bestimmten Frequenzen resonant ist. Später wurde durch das Herabkühlen des Zylinders auf wenige Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt zwar eine Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht, aber auch mit diesem Aufbau gelang ein direkter Nachweis nicht.

Zeitgleich mit dem Bau der Resonanzdetektoren wurden bereits Laserinterferometer vorgeschlagen, die sich jedoch wegen zu lösender technischer und konzeptueller Schwierigkeiten zunächst auf theoretische Studien und kleinere Experimente beschränkten. Ein Laserinterferometer basiert auf dem Prinzip der konstruktiven und destruktiven Interferenz: Treffen zwei Wellenberge aufeinander, verstärkt sich das Signal (konstruktiv), trifft Wellenberg auf Wellental, wird das Signal ausgelöscht (destruktiv). Dazwischen liegen natürlich noch viele weitere Zustände, die gemessen werden können und Informationen über die Verschiebung von zwei Lichtsignalen zueinander enthalten.

Kurz nach der Jahrtausendwende begann man schließlich damit, weltweit Laserinterferometer zu bauen. Das Messprinzip basiert hierbei auf dem Michelson-Interferometer, das vielleicht dem einen oder anderen Leser noch aus der Schulzeit geläufig ist. Ein Laser sendet Licht aus, das an einem halbdurchlässigen Spiegel aufgeteilt wird und auf zwei normale Spiegel trifft. Das dort reflektierte Licht trifft nun wieder auf den halbdurchlässigen Spiegel und wird anschließend auf einen Detektor geleitet. Auf diesem erscheint dann die Interferenz. Werden die senkrecht zueinander stehenden Röhren von einer Gravitationswelle gestreckt oder gestaucht, findet eine Phasenverschiebung statt und es wird eine Änderung der Interferenz detektiert.

Die Versuchsanlagen wurden an verschiedenen Orten auf der Erde errichtet: so werden lokale Fehlerquellen wie beispielsweise leichte Erdbeben ausgeschlossen. Standorte solcher Detektoren sind unter anderem Japan, Italien und Deutschland. Die Entdeckung gemacht hat jedoch das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA; um genau zu sein eine in der Messgenauigkeit verbesserte Variante mit dem Namen aLIGO (Advanced LIGO), die erst 2015 in Betrieb genommen wurde.

Der erste direkte Nachweis

Am 14. September 2015 wurde schließlich ein Signal an den Standorten in Hanford (Bundesstaat Washington) und Livingston (Louisiana) unabhängig voneinander detektiert. Das entscheidende Signal ist eine in der Amplitude schnell anwachsende Welle, die nach dem Verschmelzen der schwarzen Löcher wieder auf annähernd 0 herabfällt. Das ganze Ereignis dauerte nicht länger als 150 ms. Zu diesem Zeitpunkt waren die anderen Gravitationswellendetektoren abgeschaltet oder nicht im Observationsmodus, weswegen das Signal nur von den zwei genannten Detektoren erfasst werden konnte.

Nach der Entdeckung wurden zunächst mögliche Fehlerquellen ausgeschlossen. Sensoren, die während des Betriebs eine Messung von Störungen aus der Umgebung vornehmen, zeigten keine Störung an, die stark genug wäre, das Signal zu erklären. Auch die Instrumente wurden untersucht und es konnte ausgeschlossen werden, dass das Signal auf einen Fehler der Instrumente zurückzuführen ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass das gemessene Signal auf Hintergrundrauschen zurück zu führen ist, wird mit 0,0002% angegeben, was einer faktischen Entdeckung gleichkommt.

Eine neue Ära der Weltraumerkundung
Oft wurde der Vergleich bemüht, dass der direkte Nachweis dieser Wellen der Entdeckung des elektromagnetischen Spektrums gleichkäme: Man könne nun das Universum mit anderen Augen betrachten und das gravitative Universum entdecken. Diese Annahme ist nicht falsch, denn bereits mit dieser ersten Entdeckung wurden Vorgänge beobachtet, die mit unseren bisherigen Beobachtungsmöglichkeiten nicht detektierbar gewesen wären. Da schwarze Löcher, wenn sie nicht gerade von einer Scheibe aus Materie umgeben sind oder ihre Umgebung sichtbar beeinflussen, unsichtbar sind, wäre das sehr kurze Ereignis zweier verschmelzender schwarzer Löcher anders als über ihre Gravitationswellen nicht detektierbar gewesen. Dass binäre Systeme schwarzer Löcher existieren, war bis zu ihrer Entdeckung im vergangenen September auch nur eine theoretische Annahme.

Die Forschung erhofft sich weiterhin Einblicke in die gewaltigsten Ereignisse des Universums wie zum Beispiel Urknall und Supernovae und Erkenntnisse über die massereichsten Körper wie Neutronensterne. Auch die mysteriöse dunkle Materie, die bisher lediglich indirekt über ihre gravitative Wirkung nachgewiesen wurde, könnte mit Hilfe der Gravitationswellen untersucht werden.

In Zukunft sollen die Detektoren auf der Erde in ihrer Messgenauigkeit verbessert werden, um auch kleinere Ereignisse beobachten zu können. Mit eLISA ist außerdem für das Jahr 2034 ein Weltraumobservatorium für Gravitationswellen geplant. Eine Vorgängermission, LISA Pathfinder, wurde Ende letzten Jahres ins All geschickt und wird Anfang März beginnen, die anspruchsvolle Technik für eLISA zu erproben.

Die Gravitationswellenastronomie bietet ein großes Potential, unser Universum noch besser zu verstehen und vielleicht auch gänzlich neue, überraschende Entdeckungen zu machen.

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• Gravitationswellen

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Ein Beitrag von Karl Urban, bearbeitet von Star-Light, Quelle: ESA/JPL.

Die Theorie, die 1905 von Albert Einstein veröffentlicht wurde, sagt aus, dass falls sich ein Beobachter mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, die physikalischen Gesetze immer die gleichen sind. Dies gilt bei bei allen möglichen Geschwindigkeiten. Beispielsweise fällt eine Münze genauso schnell auf den Boden wenn ich auf einer Wiese stehe wie wenn ich auf der Autobahn mit konstanten 120 Kilometern pro Stunde fahre.

Neuere Theorien versuchen nun die Gravitations- und Teilchenphysik zu kombinieren und kommen dabei zu dem Schluss, dass die Relativität nicht immer anwendbar ist. Veränderungen im Raum und der Zeit legen diese Vermutung nahe – sie lassen sich jedoch auf der Erde nicht messen.

„Die Internationale Raumstation wird demnächst sehr genaue Uhren an Bord haben und sie ist ein guter Ort die Theorie zu testen,“ sagt Dr. Alan Kostelecky, Physikprofessor an der Universität Indiana in Bloomington. „Durch den Vergleich extrem präziser Uhren, die in der Schwerelosigkeit arbeiten, können winzigste Änderungen im „Tempo der Zeit“ festgestellt werden, während sich das Raumfahrzeug um die Erde bewegt.“ Dies würde gegen Einsteins Theorie verstoßen, die aussagt, dass keine Veränderungen messbar sein dürften, wenn sich verschiedene Uhren unter der gleichen Gravitations-Umgebung bewegen.

„Das Auffinden solcher Veränderungen würde einen Aufruhr in der Wissenschaftsgemeinschaft auslösen und würde zudem unser Denken über die fundamentale Struktur von Raum und Zeit verändern.“ fügt er hinzu. Es würde einen Einblick in unser Universum führen und wie die Natur funktioniert.

Messungen im Weltraum haben einige Vorteile gegenüber denen auf der Erde, da die Erd-Rotationsachse und ihre Rotationsrate feststehend sind. Im All können die Umkreisungsachse eines Satelliten und seine Rotationsrate unterschiedlich sein. Außerdem sind höhere Geschwindigkeiten möglich. Messungen im Erdorbit können deshalb viel genauer durchgeführt werden und messbare Änderungen demnach Einsteins spezielle Relativitätstheorie widerlegen.

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