BEACON

Motivation

BEACON
ist ein ehrgeiziges, interdisziplinäres (optische Astronomie, Radioastronomie und theoretische Physik) Projekt mit dem Ziel eines verbesserten Verständnisses von Gravitation und Raumzeit. Es wird durch eine Fördermaßnahme des Europäischen Forschungsrats (279702) finanziert.

Für fast ein Jahrhundert war zum Thema Gravitation Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (ART) der Weisheit letzter Schluss. Wir wissen allerdings, dass die ART nicht die ultimative Theorie der Gravitation sein kann, denn sie scheitert im Zentrum Schwarzer Löcher, wo sie unendlich große Dichten und Feldstärken vorhersagt. Zudem ist sie nicht mit der Quantenmechanik vereinbar. Es ist nicht klar, ab welcher Energieskala die ART die Gravitation und die Raumzeitstruktur nicht mehr gut beschreibt. Es gibt eine Reihe alternativer Gravitationstheorien, die Abweichungen von der ART auf Energieskalen vorhersagen, die im heutigen Universum vorherrschen (d.h. weit unterhalb der Planck-Skala). Diese Theorien sagen subtile Effekte in den Bahnen von Pulsaren in Doppelsystemen voraus, speziell in sogenannten asymmetrischen Doppelsternsystemen, die aus zwei sehr unterschiedlich kompakten Körpern bestehen (z.B. Pulsare mit einem Weißen Zwerg als Partner):

  • Aussendung von Dipol-Gravitationswellen. Gravitative Dipol-Strahlung entzieht der Bahn eines Doppelsternsystems zusätzlich Energie. Die Konsequenz wäre ein stärkeres Schrumpfen der Umlaufbahn als es durch die ART vorhergesagt wird. Dieser Effekt konnte selbst mit den empfindlichsten Pulsar-Beobachtungen bislang nicht nachgewiesen werden.
  • Verletzung des starken Äquivalenzprinzips. Eine Verletzung des starken Äquivalenzprinzips hätte zur Folge, dass Massen mit unterschiedlicher gravitativer Bindungsenergie in einem externen Gravitationsfeld unterschiedlich beschleunigt werden. Bei asymmetrischen Doppelsternsystemen, die sich im Gravitationsfeld der Milchstraße bewegen, wäre das als kleine Änderung in der Exzentrizität der Umlaufbahn sichtbar.
  • Verletzung der lokalen Lorentz-Invarianz der Gravitation. In manchen alternativen Gravitationstheorien gibt es ein ausgezeichnetes Bezugssystem für die gravitative Wechselwirkung. Oft wird dieses bevorzugte Bezugssystem mittels der isotropen kosmischen Hintergrundstrahlung identifiziert. Bei Doppelsternsystemen, die sich relativ zu diesem Bezugssystem bewegen, kommt es zu Effekten, die es in der ART nicht gibt. So wäre eine kleine zeitliche Änderung der Bahnexzentrizität die Folge. Bei isolierten Pulsaren, die keinen Begleiter haben, sollte sich die Richtung der Rotationsachse langsam ändern (Spin-Präzession). Die bisher besten Limits sind konsistent mit der ART.


Die Aufgabe des BEACON-Projekts ist die Suche nach diesen Phänomenen mit einer sehr viel höheren Empfindlichkeit als bisherige Experimente. Um dies zu erreichen, benötigen wir eine bessere Genauigkeit bei der Messung der Ankunftszeiten der Pulsar-Signale am Radioteleskop („pulsar timing”). Ein Nachweis eines dieser Effekte würde die ART widerlegen und die Physik über das bisherige Verständnis des Universums hinaus erweitern.

Aber auch bei der Frage nach der Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie spielt das BEACON-Projekt eine Rolle. Zum Beispiel wären wir möglicherweise in der Lage, durch die Kombination der Beobachtungen von PSR J1738+0333 mit denen des Doppelpulsars (PSR J0737-3039A/B) die Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationsheorie - die vorgeschlagene relativistische Formulierung der Modifizierten Newtonschen Dynamik (MoND) - auszuschließen. Diese Theorie wurde als Alternative zur Dunklen Materie entwickelt. Dies zeigt, dass genaue Prüfungen der ART nicht nur für unser Verständnis der Gravitation und der physikalischen Gesetze, sondern auch für das Wissen über die Beschaffenheit unseres Universums wichtig ist.


Was machen wir um Genauigkeit zu erhöhen?

Die Präzision in der Vermessung der Ankunftszeiten von Pulsar-Signalen ist zur Zeit durch zwei Faktoren limitiert:

  • Statistik: Pulsare sind äußerst leuchtschwache Radioquellen, daher benötigen wir die größten Radioteleskope der Welt.
  • Systematik: Da sich sowohl die Erde als auch der Pulsar bewegt, geht die Sichtlinie immer durch unterschiedliche Regionen des interstellaren Mediums mit leicht unterschiedlichen Elektronendichten. Diese unvorhersehbaren Variationen führen zu einer weiteren Unsicherheit bei der Messung der Ankunftszeit der Radiopulse.

Die Lösung beider Probleme ist die Nutzung eines Ultra-Breitband-Empfängers („ultra broadband receiver”, UBB) mit entsprechend breitbandigem Backend. Dieses wird im 100-m-Radioteleskop Effelsberg installiert. Es besitzt ein innovatives Empfangshorn mit neuartigem Design, mit dem es im Bereich von 0.6 bis 3 GHz empfindlich ist.

 
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