Mehr als 100 Jahre ist es her, dass Albert Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie einige Grundannahmen der damaligen Physik umstieß und mit der Raumzeit eine ganz neue Vorstellung der Gravitation etablierte. Seither bildeten seine Gesetzmäßigkeiten das Fundament des physikalischen Weltbilds. Sie erklären unter anderem, warum Licht in der Nähe großer Massen abgelenkt und gedehnt wird, warum die Zeit unter dem Einfluss der Gravitation langsamer läuft und dass sich Masse in Energie umwandeln kann. Allerdings gibt es einige Phänomene im Kosmos, die sich nicht allein mit Einsteins Theorien erklären lassen. Unter anderem deshalb versuchen Wissenschaftler, mögliche Grenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie auszuloten. Die Beobachtung einer Abweichung von den Vorhersagen dieser Theorie wäre eine wichtige Entdeckung, die ein Fenster zu einer neuen Physik öffnen würde. Bisher allerdings hat die Relativitätstheorie allen Tests und Überprüfungen standgehalten.
Sieben Grundannahmen auf dem Prüfstand
Die Ergebnisse eines der bisher umfassendsten Tests haben nun Astronomen um Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie veröffentlicht. Dafür beobachtete das Team 16 Jahre lang mit sieben verkoppelten Radioteleskopen ein einzigartiges System aus zwei sich eng umkreisenden Radio-Pulsaren. Die starke Radiowellen ausstrahlenden Neutronensterne sind massereicher als die Sonne, aber nur rund 24 Kilometer groß. Sie umkreisen einander mit rund einer Million Kilometern pro Stunde und drehen sich dabei noch um sich selbst. Der Doppelpulsar PSR J0737-3039 A/B vereint damit enorme Massen auf engem Raum und bringt noch dazu Bewegung mit ins Spiel. “Eine derart schnelle Umlaufbewegung von solch kompakten Objekten ermöglicht es uns, eine Reihe von Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu testen – insgesamt sind es sieben Stück”, erklärt Co-Autor Dick Manchester von der australischen Forschungsorganisation CSIRO.
Die erste am Doppelpulsar überprüfte Grundannahme ist der Energieverlust, den das System durch die Abstrahlung von Gravitationswellen erleidet. Dieser führt dazu, dass die Umlaufbahnen der beiden Neutronensterne im Laufe der Zeit enger werden und sich dadurch ihre Umlaufzeiten verkürzen. Diese Verkürzung konnten die Astronomen anhand der gepulsten Radiostrahlung der beiden Pulsare beobachten. “Zu unserer Freude konnten wir diesen Eckpfeiler der Einsteinschen Theorie 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”, berichtet Kramer.
Gravitationseffekt auf Licht, Zeit und Umlaufbahnen
Die regelmäßigen Pulse der beiden Sternenreste erlaubten es zudem, die gravitationsbedingte Präzession der Pulsarorbits mit einer Genauigkeit von eins zu einer Million nachzuweisen. Dieser relativistische Effekt ist auch von der Merkurbahn bekannt. Beim Planeten sorgt er dafür, dass sich die sonnennächsten und sonnenfernsten Punkte der Bahn im Laufe der Zeit rosettenartig verschieben. Auch die gravitationsbedingte Zeitdehnung, eine weitere Grundannahme der Relativitätstheorie, konnte das Forschungsteam bestätigen.
