Pulsar in Dreifachsystem ist ein einzigartiges Gravitationslabor

Astronomen haben mit dem Green Bank Telescope (GBT) der National Science Foundation ein einzigartiges Sternsystem aus zwei Weißen Zwergen und einem superdichten Neutronenstern entdeckt, dessen Größe kleiner als der Erdorbit um die Sonne ist. Die Nähe der Sterne und ihre Natur hat den Wissenschaftlern erlaubt, die bislang besten Messungen der komplexen gravitativen Interaktionen in solch einem System zu machen. Außerdem könnten weitere Studien dieses Systems einen Schlüsselhinweis für die Lösung von einem der offenen Probleme in der fundamentalen Physik liefern: die wahre Natur der Gravitation.

„Dieses Dreifachsystem gibt uns ein natürliches kosmisches Labor, das weit besser ist als alles Dagewesene, um genau zu verstehen, wie solche Dreikörpersysteme funktionieren und um mögliche Probleme mit der allgemeinen Relativität festzustellen, die Physiker unter extremen Bedingungen erwarten“, sagte Scott Ransom vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO). (Anm. d. Red.: Das System trägt die Bezeichnung PSR J0337+1715 und liegt im Sternbild Taurus (Stier)).

Die Student Jason Boyles von der West Virginia University (jetzt an der Western Kentucky University) entdeckte den Pulsar ursprünglich im Rahmen einer groß angelegten Suche nach Pulsaren mit dem Green Bank Telescope. Pulsare sind Neutronensterne, die Strahlen aus Radiowellen emittieren – ähnlich wie ein Leuchtturm -, welche rasch durch den Raum eilen, während die Objekte um ihre Achse rotieren. Eine der Entdeckungen der Suche war ein Pulsar, der rund 4.200 Lichtjahre von der Erde entfernt ist und fast 366 Mal pro Sekunde rotiert.

Solche schnell rotierenden Pulsare werden Millisekundenpulsare genannt und können von Astronomen als Präzisionswerkzeug für die Untersuchung einer Vielzahl von Phänomenen verwendet werden. Dazu zählt beispielsweise die Suche nach den schwer nachweisbaren Gravitationswellen. Nachfolgende Beobachtungen zeigten, dass sich der Pulsar in einem engen Orbit mit einem Weißen Zwerg befindet und dass das Paar von einem anderen weiter entfernten Weißen Zwerg umkreist wird. „Dies ist der erste Millisekundenpulsar, der in so einem System entdeckt wurde und wir erkannten sofort, dass er uns eine einzigartige Möglichkeit bietet, die Effekte und die Natur der Gravitation zu untersuchen“, sagte Ransom.

Die Wissenschaftler begannen ein intensives Beobachtungsprogramm mit dem Green Bank Telescope, dem Arecibo-Radioteleskop in Puerto Rico und dem Westerbork Synthesis Radio Telescope in den Niederlanden. Sie studierten das System auch mittels Daten des Sloan Digital Sky Survey, des GALEX-Satelliten, des WIYN-Teleskops auf dem Kitt Peak in Arizona und des Spitzer Space Telescope. „Die gravitativen Störungen, die von jedem Mitglied des Systems auf die anderen ausgeübt werden, sind unvorstellbar stark“, sagte Ransom. „Der Millisekundenpulsar dient als ein extrem leistungsfähiges Hilfsmittel, um diese Störungen unglaublich exakt zu messen“, ergänzte er.

Durch sehr genaue Aufzeichnungen der Ankunftszeiten der Pulse waren die Forscher in der Lage, die Geometrie des Systems und die Massen der Sterne mit beispielloser Präzision zu berechnen. „Wir haben einige der exaktesten Massenberechnungen in der Astrophysik vorgenommen“, sagte Anne Archibald vom Netherlands Institute for Radio Astronomy (ASTRON). „Manche unserer Messungen der relativen Positionen der Sterne in dem System sind bis auf ein paar hundert Meter genau“, sagte sie. Archibald leitete die Bemühungen, diese Messungen für die Entwicklung einer Computersimulation des Systems zu verwenden, welche seine Bewegungen vorhersagen kann.

Diese Animation zeigt das einzigartige Dreifachsystem mit einem superdichten Neutronenstern und zwei Weißen Zwergen. Der Neutronenstern ist ein schnell rotierender Pulsar. Die von ihm emittierten Pulse sind blau gekennzeichnet. Anfangs sieht man den Pulsar und einen Weißen Zwerg einander umkreisen. Dann zoomt die Animation heraus und der zweite Weiße Zwerg wird sichtbar. Das gesamte System ist kleiner als die Erdumlaufbahn um die Sonne. (Bill Saxton (NRAO / AUI / NSF))

Die Erforschung dieses Systems nutzte Technologien, die bis zu jenen zurückreichen, welche von Isaac Newton verwendet wurden, um das Erde-Mond-Sonne-System zu untersuchen. Sie wurden mit der „neuen“ Gravitation Albert Einsteins kombiniert, die für die präzisen Messungen erforderlich war. Im Gegenzug, so sagten die Wissenschaftler, verspreche das System eine Möglichkeit, den Weg zu der nächsten Gravitationstheorie aufzuzeigen. Das System bietet den Forschern die bislang beste Gelegenheit, um die Verletzung eines Konzepts aufzuspüren, das als Äquivalenzprinzip bekannt ist. Dieses Prinzip besagt, dass die Auswirkungen der Gravitation auf einen Körper nicht von der Natur oder der inneren Struktur des Körpers abhängen.

Die berühmtesten Experimente zur Veranschaulichung des Äquivalenzprinzips sind das Fallenlassen von zwei Bällen unterschiedlichen Gewichts vom Schiefen Turm von Pisa durch Galileo Galilei und das Fallenlassen eines Hammers und einer Falkenfeder durch den Apollo-15-Kommandanten Dave Scott, als er 1971 auf der luftleeren Oberfläche des Mondes stand. Obwohl es keine Bestätigung dafür gibt, dass Galilei das Experiment mit dem Schiefen Turm tatsächlich durchführte, demonstrierte er das Prinzip, indem er Bälle eine schiefe Ebene hinunterrollen ließ – ein Experiment, das als Einführung oft in Physiklaboratorien wiederholt wird.

„Obwohl Einsteins allgemeine Relativitätstheorie bis jetzt von jedem Experiment bestätigt wurde, ist sie nicht mit der Quantentheorie vereinbar. Deswegen erwarten Physiker, dass sie unter extremen Bedingungen zusammenbrechen wird“, erklärte Ransom. „Dieses Dreifachsystem aus kompakten Sternen gibt uns eine großartige Möglichkeit, um nach einer Verletzung einer bestimmten Form des Äquivalenzprinzips zu suchen, des sogenannten starken Äquivalenzprinzips“, ergänzte er.

Wenn ein massereicher Stern als Supernova explodiert und seine Überreste zu einem superdichten Neutronenstern kollabieren, wird ein Teil seiner Masse in gravitative Bindungsenergie umgewandelt, die den dichten Stern zusammenhält. Das starke Äquivalenzprinzip besagt, dass diese Bindungsenergie immer noch gravitativ reagieren wird, so als wäre sie Masse. Praktisch alle Alternativen zur allgemeinen Relativität sagen aus, dass sie das nicht tun wird. „Dieses System bietet den bislang besten Test, was davon der Fall ist“, sagte Ransom.

Unter dem starken Äquivalenzprinzip wären die gravitativen Auswirkungen des äußeren Weißen Zwergs für den inneren Weißen Zwerg und den Neutronenstern gleich. Wenn das starke Äquivalenzprinzip unter den Bedingungen in diesem System ungültig wäre, würden die gravitativen Auswirkungen des äußeren Sterns auf den inneren Weißen Zwerg und den Neutronenstern leicht voneinander abweichen und die hochpräzisen Pulsar-Beobachtungen könnten das leicht nachweisen.

„Durch hochpräzise Aufzeichnungen der Pulse des Pulsars können wir eine solche Abweichung vom starken Äquivalenzprinzip mit einer Empfindlichkeit feststellen, die mehrere Größenordnungen höher ist als jene, die bisher verfügbar war“, sagte Ingrid Stairs von der University of British Columbia. „Eine Abweichung vom starken Äquivalenzprinzip zu finden, würde auf einen Zusammenbruch der allgemeinen Relativität hindeuten und uns die Richtung für eine neue, korrekte Gravitationstheorie zeigen“, fügte sie hinzu.

„Dies ist in vielerlei Hinsicht ein faszinierendes System, das eine total verrückte Entstehungsgeschichte haben muss, und wir haben noch eine Menge Arbeit vor uns, um es ganz zu verstehen“, sagte Ransom.

Ransom, Archibald und Stairs gehörten zu einem internationalen Forschungsteam, das seine Ergebnisse am 5. Januar 2014 in der Onlineausgabe des Journals Nature veröffentlicht hat. Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation und wird im Rahmen eines Kooperationsvertrags von Associated Universities, Inc. betrieben.

Quelle: https://public.nrao.edu/news/pressreleases/pulsar-in-stellar-triple-system

(THK)