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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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Eine internationale Gruppe von Astronomen unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und der University of British Columbia (UBC) in Vancouver hat erste Ergebnisse eines groß angelegten Programms vorgestellt, bei dem Beobachtungen mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop dazu verwendet werden, die Theorien von Einstein mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu testen. Das Programm mit dem Namen „Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) und die ersten Ergebnisse werden in einem heute veröffentlichten Artikel in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ beschrieben.

Die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein gehört zu den bestuntersuchten Theorien der Physik und stellt die derzeit beste Beschreibung der Gravitation dar. Dennoch bleiben Fragen wie die nach der Natur der „Dunklen Materie“ oder der „Dunklen Energie“ unbeantwortet, und mögliche Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie werden nach wie vor untersucht. Hier bietet die Erforschung von Binärpulsaren, Sternen extrem hoher Dichte, die sowohl als kosmische Leuchttürme als auch als präzise Uhren fungieren, einzigartige Einblicke, die andere Experimente, etwa mit Gravitationswellendetektoren oder Satellitenmissionen, ergänzen.

Pulsare sind nur etwa 24 km groß und bestehen hauptsächlich aus Neutronen. Mit Massen bis etwa zweifacher Sonnenmasse sind sie die extremsten Objekte im beobachtbaren Universum. Durch die Verfolgung ihrer Bewegung um einen möglichen Begleiter, einen anderen Neutronenstern oder einen größeren „Weißen Zwerg“, den freigelegten Kern eines gewöhnlichen Sterns am Ende seines Lebens, können Radioteleskope wie MeerKAT in Südafrika ihre Position in der jeweiligen Umlaufbahn auf nur etwa 30 Meter genau bestimmen! Dies kann eine Reihe von relativistischen Effekten in der Umlaufbewegung aufdecken, wie die Emission von Gravitationswellen oder die Auswirkungen auf die Ausbreitung von Licht in ihren starken Gravitationsfeldern.

Das MeerKAT-Teleskop ist ein hervorragendes neues Radioteleskop, das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) gebaut und betrieben wird. Es bietet eine hohe Empfindlichkeit durch die Kombination der Signale von 64 einzelnen 13-m-Antennen. Im Rahmen des „Large Survey Proposals“ MeerTime, das von Prof. Matthew Bailes von der Swinburne-Universität in Australien geleitet wird, war das Projekt „Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) unter der Leitung von Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR, Bonn, und Prof. Ingrid Stairs, University of British Columbia in Kanada, das am besten bewertete Wissenschaftsprogramm, das für MeerKAT vorgeschlagen wurde. Das internationale RelBin-Team mit Kollegen aus Afrika, Australien, Europa und Nordamerika präsentiert nun die ersten Ergebnisse aus diesem Programm.

RelBin konzentriert sich in erster Linie auf die Beobachtung von relativistischen Effekten in Pulsar-Binärsystemen, um Präzisionsmessungen der Massen von Neutronensternen und Tests von Gravitationstheorien zu ermöglichen. Auch wenn detaillierte Ergebnisse erst nach vielen weiteren Monaten der Beobachtung zu erwarten sind, kann das Team bereits jetzt zeigen, dass die Beobachtungen mit MeerKAT die vorhandenen Daten von anderen Teleskopen typischerweise um einen Faktor 2-3, manchmal sogar um eine ganze Größenordnung, verbessern. Michael Kramer ist begeistert: „Die Leistung von MeerKAT ist besser als wir erwartet haben! Wir können jetzt Experimente durchführen, die mit anderen Teleskopen nicht nur etwa 10 Jahre gedauert hätten, sondern wir können sie auch viel präziser durchführen.

Zu den untersuchten Quellen gehört das berühmte Doppelpulsar-System, in dem sich zwei Pulsare in nur 2,5 Stunden umkreisen. Die Co-Leiterin des Projekts, Ingrid Stairs, erklärt: „Wir können dieses System jetzt viel genauer untersuchen. Das System ändert seine Bahnkonfiguration aufgrund relativistischer Effekte ständig, und wir können diese Effekte für Tests der allgemeinen Relativitätstheorie sehr genau verfolgen.“

RelBin ist die bisher größte Studie von relativistischen Doppelpulsaren und zielt auch darauf ab, die Zahl präzise gemessener Massen von Neutronensternen zu erhöhen. Dr. Vivek Venkatraman Krishnan, Post-Doktorand am MPIfR und Mitorganisator der Arbeit, bringt dies auf den Punkt: „Die Masse von Neutronensternen gibt Aufschluss darüber, wie dicht wir die Materie im Universum packen können. Mit MeerKAT-Beobachtungen von relativistischen Effekten in der Bewegung von Neutronensternen in Binärsystemen können wir ihre Massen mit einer Genauigkeit von etwa 1% oder besser messen und damit möglicherweise eine Reihe von Modellen, die von Kernphysikern vorgeschlagen wurden, beweisen oder ausschließen.“

Das Team von Matthew Bailes an der Swinburne University of Technology hat die Supercomputer-Infrastruktur entwickelt, die täglich fast 300 Millionen Megabyte an Input vom Teleskop verdaut und in wissenschaftlich verwertbare Daten umwandelt. „MeerKAT ist ein perfektes Beispiel für ein global umfassendes Wissenschaftsprojekt, bei dem Experten aus der ganzen Welt zusammenkommen, um ein fantastisches Instrument zu bauen, das die Einsteinschen Gesetze auf Herz und Nieren prüft“, sagt er.

Das von SARAO betriebene MeerKAT-Teleskopnetzwerk ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts, aufgebaut in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst von der Max-Planck-Gesellschaft in Zusammenarbeit mit SARAO und dem INAF in Italien um eine Anzahl zusätzlicher Reflektorantennen erweitert. Dieses Projekt unter der Bezeichnung „MeerKAT+“ wird die Fähigkeiten von MeerKAT verbessern. Das Teleskop soll später schrittweise in das Mid-Teleskop des SKAO integriert werden. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit dem verbesserten MeerKAT-Teleskop könnten bereits im Jahr 2023 beginnen, noch während der Testphase des Teleskops.

„Wir möchten unseren südafrikanischen Kollegen einfach zu ihrer großartigen Leistung gratulieren. Wir sind stolz und dankbar, dass wir das Teleskop zusammen mit unseren afrikanischen Kollegen für unsere gemeinsamen Studien nutzen können. Bleiben Sie dran für viele weitere spannende Ergebnisse!“, schließt Michael Kramer.

Hintergrundinformation
Das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskopnetzwerk ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts, das in Südafrika stehen wird. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst um weitere Parabolantennen zum Projekt „MeerKAT+“ erweitert. Das Teleskop wird später schrittweise in das SKA-Projekt integriert, dessen Bau demnächst beginnt und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit MeerKAT+ könnten bereits im Jahr 2023 beginnen, während der Testphasen des Teleskops.

MeerTIME ist ein „Large Survey Proposal“, für das MeerKAT-Teleskopnetzwerk, geleitet von der „Swinburne University of Technology“ in Zusammenarbeit mit mehreren australischen Instituten sowie INAF, der University of Manchester, dem MPIfR, dem NRAO und dem SARAO.

„Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) ist ein Wissenschaftsprogramm im Rahmen des „Large Survey Proposals“ MeerTime, zur systematischen Untersuchung von Pulsarbinärsystemen für Tests der Gravitation. Das Programm wird von Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR in Bonn, und Prof. Ingrid Stairs von der University of British Columbia (UBC) geleitet. Das internationale Forschungsteam von RelBin umfasst Wissenschaftler aus Afrika, Australien, Europa und Nordamerika.

Das Forscherteam für die Veröffentlichung umfasst Michael Kramer, Ingrid H. Stairs, Vivek Venkatraman Krishnan, Paulo C. C. Freire, Federico Abbate, Matthew Bailes, Marta Burgay, Sandra Buchner, David J. Champion, Ismaël Cognard, Tasha Gautam, Marisa Geyer, Lucas Guillemot, Huanchen Hu, Gemma Janssen, Marcus E. Lower, Aditya Parthasarathy, Andrea Possenti, Scott Ransom, Daniel J. Reardon, Alessandro Ridolfi, Maciej Serylak, Ryan M. Shannon, Renée Spiewak, Gilles Theureau, Willem van Straten, Norbert Wex, Lucy S. Oswald, Bettina Posselt, Charlotte Sobey, Ewan D. Barr, Fernando Camilo, Benjamin Hugo, Andrew Jameson, Simon Johnston, Aris Karastergio, Michael Keith und Stefan Osłowski. Elf der Autoren (Kramer, Venkatraman Krishnan, Freire, Abbate, Champion, Gautam, Hu, Parthasarathy, Ridolfi, Wex and Barr) haben eine Affiliation mit dem MPIfR.

Originalveröffentlichung
The Relativistic Binary Programme on MeerKAT: Science objectives and first results
M. Kramer et al.,
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), Volume 504, Issue 2, June 2021, Pages 2094–2114),
DOI: doi.org/10.1093/mnras/stab375

The Relativistic Binary Programme on MeerKAT: Science objectives and first results
arXiv-Preprint (Kramer et al. 2021, MNRAS Volume 504, Issue 2, June 2021, Pages 2094–2114)

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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 Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie, ESO. Vertont von Peter Rittinger.

Der Pulsar PSR J0348+0432 rotiert innerhalb einer einzigen Sekunde 25 Mal um seine eigene Achse und verfügt bei einem Durchmesser von lediglich 20 Kilometern in etwa über die doppelte Masse der Sonne. Demnach sind im Zentrum dieses Pulsars mehr als eine Milliarde Tonnen Materie in das Volumen eines Zuckerwürfels gepresst. Die Schwerkraft auf der Oberfläche dieses Neutronensterns fällt mehr als 300 Milliarden Mal stärker als auf der Erde aus. Damit handelt es sich bei diesem Objekt um den massereichsten Neutronenstern, dessen Existenz von den Astronomen bisher definitiv bestätigt werden konnte. Das Objekt wurde erst im Jahr 2007 im Rahmen eines umfassenden Pulsar-Suchprogramms mit dem Green-Bank-Radioteleskop entdeckt.

In einem Abstand von lediglich 830.000 Kilometern wird der Pulsar von einem Begleitstern, einem Weißen Zwerg, umkreist. Hierbei handelt es sich um das Überbleibsel eines deutlich leichteren Sterns, welcher seine Atmosphäre verloren hat und der nun langsam abkühlt. Obwohl dieses ungewöhnliche Paar an sich schon sehr interessant ist, stellt es zusätzlich ein einzigartiges Testobjekt zur Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie dar.

Die vor fast einem Jahrhundert von Albert Einstein entwickelte Allgemeine Relativitätstheorie, welche die Gravitation als Folge der Krümmung der Raumzeit durch das Vorhandensein von Masse und Energie erklärt, hat bislang allen Überprüfungen standgehalten. Dennoch bietet sie keine allumfassende Erklärung für sämtliche Vorgänge im Kosmos und ist auch nicht vollständig mit der Quantenmechanik, einer anderen bedeutenden während des 20. Jahrhunderts entwickelten Theorie der Physik, vereinbar. Deshalb werden beide Theorien wohl letztlich Teil einer noch umfangreicheren, allerdings noch zu erstellenden Theorie werden.

Auf der Suche nach dieser umfassenden Theorie haben Physiker in der Vergangenheit auch mehrere alternative Theorien bezüglich der Gravitation ausgearbeitet, deren Vorhersagen von jenen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein abweichen. Für einige dieser Alternativen würden sich die in der Praxis nachweisbaren Unterschiede nur in extrem starken Gravitationsfeldern zeigen, wie sie im Bereich unseres Sonnensystems nicht vorzufinden sind.

Entsprechende Verhältnisse treten jedoch im Bereich von Pulsaren auf. In den dort existenten, extrem starken Gravitationsfeldern können bereits kleine Änderungen in der Masse zu deutlich erkennbaren Veränderungen in der Raumzeit um ein solches Objekt führen. Der erste Pulsar in einem Doppelsternsystem, das Objekt PSR B1913+16, wurde von Joseph Hooton Taylor, Jr. und Russell Hulse entdeckt, welche dafür im Jahre 1993 den Physik-Nobelpreis erhielten. Die beiden Wissenschaftler hatten sorgfältig die Veränderungen der Eigenschaften dieses Objekts vermessen und konnten dabei nachweisen, dass diese Änderungen genau mit den Energieverlusten durch Abstrahlung von Gravitationswellen übereinstimmen, wie sie von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt werden.

Der jetzt untersuchte Pulsar PSR J0348+0432 stellt aufgrund seiner großen Masse allerdings ein noch besseres Studienobjekt dar und bietet die Gelegenheit, die Experimente auf eine neue Ebene zu befördern. Die dortigen Werte von Masse und Schwerkraft fallen fast doppelt so hoch aus wie in den bisher bekannten „Pulsar-Schwerkraft-Laboren“ des Universums. In Kombination mit der sehr kurzen Umlaufperiode des Weißen Zwergsterns um den Pulsar von lediglich 2,5 Stunden ergeben sich für die Astronomen und Astrophysiker dabei neue Erkenntnisse über die Entwicklung von Doppelsternsystemen und die Aussendung von Gravitationswellen.

Bedingt durch den geringen Abstand der beiden Komponenten strahlt das System Gravitationswellen ab, welche – wie von der Relativitätstheorie vorhergesagt – zu einer weiteren Verringerung des Abstands beider Komponenten und einer damit verbundenen Abnahme der Bahnperiode führen. Im Sprachgebrauch der Allgemeinen Relativitätstheorie: Die Astronomen haben hier zum ersten Mal die Möglichkeit, die Bewegung eines Objekts in einer derart stark deformierten Raumzeit mit hoher Präzision zu vermessen.

Um diesen Effekt quantitativ testen zu können, benötigen die Wissenschaftler jedoch zuvor die Massen des Pulsars und seines Begleiters. „Ich habe das Doppelsystem mit dem Very Large Telescope der ESO beobachtet, um nach Veränderungen in der Lichtkurve des Weißen Zwergs zu suchen, die durch seine Bewegung um den Pulsar verursacht werden“, so John Antoniadis, Doktorand am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und Erstautor eines Fachartikels, in dem über die Beobachtung berichtet wird. „Schon bei einer ersten Vor-Ort-Analyse konnte ich erkennen, dass der Pulsar ein ziemliches Schwergewicht ist. Er ist doppelt so schwer wie die Sonne, was ihn zum massereichsten Neutronenstern macht, den wir kennen. Das macht ihn zu einem exzellenten Testobjekt für Grundlagenphysik.“

Mit Hilfe der jetzt bekannten Massen konnten die an der Studie beteiligten Wissenschaftler anschließend den Energieanteil berechnen, welcher in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wird und der dabei zu einer Verkürzung der Umlaufperiode in dem System führt. Den Mitarbeitern des Forschungsteams war sofort klar, dass diese Änderung der Umlaufperiode in den Radiosignalen des Pulsars sichtbar sein müsste. Deshalb führten sie in der Folgezeit regelmäßige weiterführende Beobachtungen mit einigen der größten weltweit zur Verfügung stehenden Radioteleskopen durch. Zusätzlich wurden für die Studien zwei optische Teleskope eingesetzt.

Das Very Large Telescope (kurz „VLT“) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in den chilenischen Anden wurde im Rahmen dieser Arbeiten dafür benutzt, die Massen der beiden Komponenten – des Pulsars und des Weißen Zwergs – zu bestimmen. Das William-Herschel-Teleskop (kurz „WHT“) auf La Palma diente dazu, das Verhalten des Weißen Zwergs systematisch zu überwachen. Mit dem Green-Bank-Teleskop (kurz „GBT“) wurde der Pulsar PSR J0348+0432 im Jahr 2007 entdeckt. Mit den beiden Radioteleskopen in Arecibo und Effelsberg wurden dagegen in den folgenden Jahren die Veränderungen in der Umlaufperiode des Systems exakt vermessen und bestimmt.

„Unsere Radiobeobachtungen mit den beiden Teleskopen in Effelsberg und Arecibo waren derart präzise, dass wir bereits Ende 2012 eine Änderung von nur acht Mikrosekunden pro Jahr in der Umlaufperiode und damit exakt den von der Relativitätstheorie vorhergesagten Wert nachweisen konnten“, so Paulo Freire, einer der Mitarbeiter des MPIfR in Bonn.

„Das aufregendste Ergebnis für uns war, dass die Allgemeine Relativitätstheorie sich auch in einem so extremen Umfeld noch vollständig bewährt“, ergänzt Norbert Wex, theoretischer Astrophysiker in der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik'“ am Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

„Diese extremen physikalischen Bedingungen kann man unmöglich in irdischen Laboratorien nachbilden“, so Thomas Tauris von der Arbeitsgruppe „Stellarphysik“ am Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. „Wir möchten gern etwas darüber erfahren, wie die Natur solche Systeme für uns aufbaut. Im Fall von PSR J0348+0432 müssen wir unsere Sternentwicklungsmodelle bis an die Grenze strapazieren. Das System hat eine einzigartige Kombination von Eigenschaften: kurze Umlaufperiode, und einen Pulsar mit hoher Masse, relativ langsamer Eigenrotation und einem starken Magnetfeld. Insgesamt ist das eine sehr interessante Herausforderung für unsere Theorien zur Entwicklung von Doppelsternsystemen.“

Die Forschungsergebnisse der Wissenschaftler, welche am 26. April 2013 in der Fachzeitschrift „Science“ unter dem Titel „A massive pulsar in a compact relativistic binary“ publiziert wurden, sind nicht zuletzt wichtig für den direkten Nachweis von Gravitationswellen. Hierfür werden auf der Erde große Gravitationswellendetektoranlagen wie die Laser-Interferometer GEO600, LIGO und VIRGO eingesetzt.

Eines der Schlüsselsignale, welches aus den Daten dieser Anlagen erwartet wird, stammt von Gravitationswellen, welche von zwei Neutronensternen in einem engen Binärsystem in den letzten Minuten ausgesendet werden, bevor sie sich auf spiralförmiger Bahn sehr rasch aufeinander zu bewegen und schließlich miteinander verschmelzen. Es hat jahrzehntelanger theoretischer Forschung im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie bedurft, um die von einer solchen Kollision erwarteten Gravitationswellen zu berechnen. Die hierfür erstellten mathematischen Gleichungen werden benötigt, um die Gravitationswellen in den von den Anlagen aufgezeichneten Daten identifizieren zu können.

„Unsere Ergebnisse zu PSR J0348+0432 geben uns zusätzliches Vertrauen in die Gleichungen für die komplette Spannweite der Massen von Neutronensternen, wie wir sie in der Natur beobachten“, so Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“. „Wenn man den großen Aufwand berücksichtigt, der in die Ableitung dieser Gleichungen gesteckt worden ist, dann ist es eine sehr gute Nachricht für unsere Kollegen aus der Gravitationswellen-Astronomie, dass Einsteins Theorie auch diesen Test bestanden hat.“

Die neuen Messungen sind allerdings erst den Beginn einer detaillierten Studie dieses einzigartigen Objektes. In den kommenden Monaten soll der Pulsar PSR J0348+432 mit einem neuartigen, erst kürzlich am Radioteleskop Effelsberg montierten Empfangssystem erneut untersucht werden. Das Ziel dieser Studie besteht darin, die Genauigkeit der bisher erhaltenen Resultate nochmals deutlich zu verbessern und somit die Allgemeine Relativitätstheorie mit noch höherer Genauigkeit zu überprüfen.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

Fachartikel von John Antoniadis et al.:

• A massive pulsar in a compact relativistic binary (Abstract, engl.)

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