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Relativitätstheorie Einstein im Härtetest

Rund ein Jahrhundert ist die Allgemeine Relativitätstheorie mittlerweile alt und hat schon etliche Bewährungsproben bestanden. Jetzt haben deutschen Astronomen sie einem besonderen Härtetest unterzogen - mit Erfolg.

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Die Illustration zeigt das Doppelsternsystem aus Pulsar und Weißem Zwerg. Das System strahlt Gravitationswellen ab, die von Astronomen auf der Erde nachgewiesen werden können, indem man kleinste Veränderungen in der Umlaufbahn des Systems misst.   Quelle: dpa

Man nehme eine halbe Million Erden, quetsche sie in eine Kugel von nur 20 Kilometer Durchmesser und lasse sie schneller rotieren als einen Küchenmixer. Solche unvorstellbaren Bedingungen findet man in einem Neutronenstern, dem Überrest einer massereichen Sonne, die als Supernova explodiert ist. Sendet ein solcher Stern pulsierende Signale im Bereich der Radiowellen aus, nennen Astronomen ihn Pulsar.

Einen dieser stellaren Exoten haben Forscher jetzt benutzt, um Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie einem echten Härtetest zu unterziehen. Ergebnis der im Magazin Science veröffentlichten Studie: Selbst unter den extremen Bedingungen der Pulsar-Umgebung bewährte sich die Theorie – Einstein hat also wirklich Recht.

Die Wissenschaftler um John Antoniadis vom  Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn untersuchten den Pulsar PSR J0348+0432, der zusammen mit einem sogenannten Weißen Zwerg ein Doppelsternsystem bildet. Beide Objekte umkreisen einander in einem Abstand von nur 830.000 Kilometern – etwa die doppelte Strecke Erde-Mond. Wegen der geringen Entfernung dauert ein Umlauf nur rund 2,5 Stunden.

„Ich habe das Doppelsystem mit dem Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte ESO beobachtet“, so Antoniadis. „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.“

Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie strahlt ein solches Doppelsternsystem sogenannte Gravitationswellen ab, die die Raumzeit strecken und stauchen. Dadurch verliert das System Energie, was dazu führt, dass sich die Umlaufzeit geringfügig ändert. Da sich diese Änderung in den Radiosignalen des Pulsars zeigen müsste, nahmen die Forscher das Doppelsternsystem mit den drei größten Radioteleskopen der Welt unter die Lupe.


Keine Chance für abweichende Theorien

Seine extreme Gravitation machte PSR J0348+0432 dabei zu einem besonders guten „Versuchslabor“: Die Gravitation auf seiner Oberfläche ist mehr als 300 Milliarden Mal stärker als auf der Erde – ein  Wert, der nahezu doppelt so hoch ist wie bei den bisher bekannten Neutronensternen. So waren die Astronomen zum ersten Mal in der Lage, die Bewegung eines Objekts in einer derart stark deformierten Raumzeit sehr genau zu vermessen.

„Unsere Beobachtungen waren derart präzis, dass wir bereits Ende 2012 eine Änderung von nur acht Mikrosekunden pro Jahr in der Umlaufperiode nachweisen konnten“, so Paulo Freire, einer der an der Untersuchung beteiligten Max-Planck-Wissenschaftler. „Das ist genau das, was Einsteins Theorie vorhersagt.“

„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 am Bonner Institut. Tatsächlich gibt es alternative Theorien, die davon abweichende Vorhersagen machen und nun zuverlässig ausgeschlossen werden können.

Wichtig sind diese Ergebnisse nicht zuletzt deshalb, weil ein direkter Nachweis von Gravitationswellen immer noch aussteht. Mit riesigen Detektoranlagen, etwa dem Laser-Interferometer Geo600 in Ruthe bei Hannover, versuchen Forscher, die Spuren der geheimnisvollen Wellen auf der Erde aufzuspüren.

Eines der Schlüsselsignale, das Forscher anhand von Berechnungen auf Basis der der Allgemeinen Relativitätstheorie erwarten, sollte dabei von Gravitationswellen aus engen Doppelsternsystemen stammen. Die jetzt gemachten Beobachtungen könnten dabei helfen, die Spuren solcher Gravitationswellen in den Detektordaten zu identifizieren.

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