Pulsare bestätigen Einsteins Theorie

Rainer Kayser

Grafik: Zwei runde Himmelskörper, die von einer blauen Hülle umgeben sind, bewegen sich umeinander; von ihnen gehen kegelförmige Strahlen in jeweils zwei Richtungen aus. Darunter ein Gitternetz mit einzelnen Erhebungen und Senken.

Michael Kramer/MPIfR

Die von Albert Einstein postulierte Allgemeine Relativitätstheorie hält weiterhin allen Tests stand. Nun hat ein Forscherteam sogar sieben von der Relativitätstheorie vorhergesagte Phänomene anhand eines Systems aus zwei schnell rotierenden Neutronensternen bestätigt – einige davon zum ersten Mal. Dabei zeigte sich, dass Einsteins Theorie mit einer Genauigkeit von 99,99 Prozent mit den Beobachtungen übereinstimme, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Physical Review X“.

„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“, erklärt Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Bereits 2003 hatten Mitglieder des Forscherteams das bislang einzigartige System aus zwei Pulsaren entdeckt. Insgesamt 16 Jahre lang haben die Astronomen dann mit sieben weltweit verteilten Radioteleskopen die Strahlung dieser Pulsare mit hoher Genauigkeit beobachtet, um die Relativitätstheorie zu überprüfen.

Pulsare sind Neutronensterne, also Überreste explodierter Sterne, in denen die Materie so dicht gepackt ist, dass sie bei einem Durchmesser von nur 24 Kilometern gerade einmal so viel Masse wie unsere Sonne haben. Viele solcher Sterne rotieren mit hoher Geschwindigkeit und besitzen ein starkes Magnetfeld, entlang dessen Nord-Süd-Achse sie stark gebündelt Licht und Radiostrahlung aussenden. Die Achse des Magnetfelds ist jedoch gegen die Rotationsachse gekippt und rotiert somit ständig. Deshalb streicht der gebündelte Strahl ähnlich dem Kegel eines Leuchtturms durchs All. Trifft dieser Kegel bei seiner Rotation auf die Erde, empfangen die Astronomen von dem Neutronenstern regelmäßig eintreffende Strahlungspulse – daher der Name dieser Himmelsobjekte.

Sieben Abbildungen mit Radioteleskopen

Die sieben beteiligten Radioteleskope

Das Sternsystem mit dem Namen PSR J0737-3039 ist 2400 Lichtjahre von der Erde entfernt und besteht aus zwei Pulsaren, die sich in nur 147 Minuten umkreisen. Einer der Pulsare dreht sich sehr schnell, etwa 44-mal pro Sekunde, während sein jüngerer Begleiter 2,8 Sekunden für eine Umdrehung braucht. Aufgrund dieser schnellen Drehungen und der enormen Masse der Pulsare eignen sich die beiden Objekte ideal, um relativistische Effekte bei schnellen Bewegungen und starker Schwerkraft zu untersuchen.

Aus den auf der Erde auftreffenden Strahlungspulsen, die sich langsam verändern, ließ sich ermitteln, dass die Pulsare Energie in Form von Gravitationswellen abgeben und sich dabei einander annähern. Ebenso konnten die Astrophysiker die Verlangsamung der Zeit im Schwerefeld der Pulsare bestimmen und außerdem beobachten, wie Licht aufgrund der Gravitation abgelenkt wird – letzteres erstmalig im Bereich starker Gravitation, wie die Wissenschaftler betonen. „Wir sehen zum ersten Mal, dass das Licht nicht nur aufgrund einer starken Krümmung der Raumzeit um den Begleiter verzögert wird“, so Ingrid Stairs von der University of British Columbia in Vancouver. Daneben spielt auch die Zeitdilatation, also der Effekt, dass Zeit in einem ruhenden und in einem bewegten System unterschiedlich schnell vergeht, eine Rolle. So wurde erstmals gemessen, wie stark das Licht abgelenkt wurde: Der Winkel, den die Forscher nachweisen konnten, betrug 0,04 Grad – nie zuvor war ein solches Experiment bei einer so starken Krümmung der Raumzeit durchgeführt worden.

Bestimmen konnte das Team auch die langsame Drehung der Bahnen, auf denen sich die beiden Sterne bewegen, die Periheldrehung. Sie ist in unserem Sonnensystem bereits bekannt, wo die Krümmung der Raumzeit eine Veränderung der Bahn des Planeten Merkur um die Sonne bewirkt. Die Erklärung dieser Bahnveränderung war einer der ersten großen Erfolge der Relativitätstheorie. Im Falle des Doppelpulsars konnten Kramer und seine Kollegen sogar noch einen Schritt weiter gehen: Da sich die Pulsare schnell drehen, ziehen sie die Raumzeit in ihrer Umgebung gewissermaßen mit sich. Auch dieses Lense-Thirring-Effekt genannte Phänomen wiesen die Forscher aus den sich drehenden Bahnen nach.

Auch wenn die neuen Ergebnisse Erfolg die inzwischen über hundert Jahre alte Allgemeine Relativitätstheorie belegen – Hinweise auf neue physikalische Effekte jenseits der bekannten Theorien liefern sie nicht. Hierfür müssten sich die Messergebnisse von den Vorhersagen unterscheiden. „Vielleicht jedoch“, so Kramer, „werden wir eines Tages wirklich eine Abweichung von der Allgemeinen Relativitätstheorie finden.“

Animation des Doppelpulsar-Systems PSR J0737-3039 A/B

Michael Kramer/MPIfR

Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/universum/news/2021/pulsare-bestaetigen-einsteins-theorie/