Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besteht den bislang härtesten Test

Ein außergewöhnliches Sternenpaar – fast 7.000 Lichtjahre von der Erde entfernt – hat Physikern ein einzigartiges kosmisches Labor geboten, um die Natur der Gravitation zu untersuchen. Die extrem starke Gravitation eines massereichen Neutronensterns und eines begleitenden Weißen Zwergs hat konkurrierende Gravitationstheorien genauer auf die Probe gestellt als jemals zuvor. Einmal mehr ging die 1915 von Albert Einstein veröffentlichte allgemeine Relativitätstheorie als Sieger hervor.

Wissenschaftler vermuten jedoch, dass Einsteins Modell unter extremen Bedingungen ab einem gewissen Punkt ungültig wird. Die allgemeine Relativität ist beispielsweise inkompatibel mit der Quantentheorie. Physiker hoffen, eine andere Beschreibung der Gravitation zu finden, welche diese Unvereinbarkeit beseitigt. Ein neu entdeckter Pulsar – ein rotierender Neutronenstern mit der doppelten Sonnenmasse – und sein begleitender Weißer Zwerg umkreisen sich gegenseitig einmal in 2,5 Stunden und haben die Gravitationstheorien auf die bislang extremste Probe gestellt. Die Beobachtungen des Systems PSR J0348+0432 lieferten Ergebnisse, die mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativität übereinstimmten.

Das enge Sternenpaar wurde mit dem Green Bank Telescope (GBT) der National Science Foundation entdeckt und nachfolgend mit dem Apache Point Telescope in New Mexico, dem Very Large Telescope in Chile und dem William Herschel Telescope auf den Kanarischen Inseln in sichtbarem Licht untersucht. Umfassende Radiobeobachtungen mit dem Arecibo-Teleskop in Puerto Rico und dem Radioteleskop in Effelsberg (Deutschland) lieferten entscheidende Daten über geringe Veränderungen der Umlaufbahnen des Sternenpaares.

In einem solchen System nähern sich die Umlaufbahnen einander an und Gravitationswellen werden emittiert, die Energie von dem System wegtragen. Indem sie die Ankunftszeit der Radiopulse dieses Pulsars über einen langen Zeitraum sehr präzise messen, können Astronomen die Annäherungsrate und die Menge der emittierten Gravitationswellen bestimmen. Die enorme Masse des Neutronensterns in PSR J0348+0432, die Nähe zu seinem Begleiter und die Tatsache, dass sein begleitender Weißer Zwerg zwar kompakt, aber kein zweiter Neutronenstern ist, machen das System zu einer beispiellosen Gelegenheit, um alternative Gravitationstheorien zu testen.

Im Hinblick auf die extremen Bedingungen in diesem System dachten einige Wissenschaftler, dass die Gleichungen der allgemeinen Relativität die Menge der emittierten Gravitationswellen möglicherweise nicht genau vorhersagen und damit die Annäherungsrate verändern würden. Sie nahmen an, dass konkurrierende Gravitationstheorien für dieses System exakter sein könnten. „Wir dachten, dieses System könnte extrem genug sein, um einen Zusammenbruch der allgemeinen Relativität zu zeigen, aber stattdessen behaupteten sich Einsteins Vorhersagen ziemlich gut“, sagte Paulo Freire vom Max Planck Institut für Radioastronomie in Bonn (Deutschland).

Den Wissenschaftlern zufolge sind das gute Nachrichten für Forscher, die mit modernen Instrumenten den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen zu erbringen versuchen. Mit derartigen Instrumenten hoffen die Forscher Gravitationswellen zu registrieren, die emittiert werden, wenn dichte Paare wie Neutronensterne und Schwarze Löcher aufeinanderzuspiralen, bis sie miteinander kollidieren.

Gravitationswellen sind extrem schwer nachzuweisen und sogar mit den besten Instrumenten gehen Physiker davon aus, dass sie die Eigenschaften der gesuchten Wellen kennen müssen, die in einem „Rauschen“ ihrer Detektoren verborgen sein werden. Die Eigenschaften der gesuchten Wellen zu kennen, wird ihnen erlauben, das gesuchte Signal aus diesem Rauschen zu extrahieren. „Unsere Ergebnisse sprechen dafür, dass die für diese verbesserten Instrumente geplanten Filtermethoden gültig bleiben“, sagte Ryan Lynch von der McGill University. Freire und Lynch arbeiteten mit einem großen, internationalen Forschungsteam. Im Journal Science berichten sie über ihre Ergebnisse.

Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation und wird im Rahmen eines Kooperationsvertrages von Associated Universities, Inc. betrieben.

Quelle: http://www.nrao.edu/pr/2013/gravitylab/

(THK)