Fundamentale Kräfte

Die Radioastronomie ist ein ideales Werkzeug, um einen Einblick in die Grundlagen der Physik zu geben, der oft anders nicht zu erreichen ist. Während die beobachteten Photonen von niedriger Energie sind, werden sie oft von den energiereichsten Teilchen im Kosmos erzeugt. Die Radiophotonen tragen Informationen über die extremsten Objekte im Universum (z.B. Neutronensterne oder Schwarze Löcher). Ihre Eigenschaften, nämlich Polarisation und Ankunftszeiten, liefern einzigartige Hinweise auf die beiden fundamentalen Langstrecken-Kräfte der Natur, nämlich Elektromagnetismus und Gravitation. Mit unseren Beobachtungen studieren wir diese Kräfte und andere grundlegende Fragen der Physik und Astrophysik, wie Fragen zu den fundamentalen Eigenschaften der Materie und dem Ursprung und die Evolution des Kosmos, den wir beobachten und in dem wir leben.

Gravitationstheorien

Graphische Darstellung des einzigartigen Doppel-Pulsar Systems. Bild vergrößern
Graphische Darstellung des einzigartigen Doppel-Pulsar Systems.

Doppelsysteme aus Pulsaren erlauben als einzige die Überprüfung von Gravitationstheorien im Limit starker Schwerefelder. Russel Hulse und Joe Taylor bekamen 1993 den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung des ersten Doppelpulsars, PSR B1913+16. Genaue Messungen der Bahnbewegung mit dem Arecibo Radioteleskop bestätigten die Existenz von Gravitationswellen (GW), eine fundamentale Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie und vieler alternativer Gravitationstheorien.

Ein weiteres Doppelsystem aus zwei Pulsaren, PSR J0737-3039 (A und B, siehe künstlerische Darstellung) ermöglichte den Test von gleich fünf verschiedenen Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie, inklusive des genauesten jemals durchgeführten Tests im Limit starker Gravitationsfelder (Kramer et al. 2006, Science, 314, 97). Die Präzision einiger dieser Tests nimmt mit der Zeit stark zu. Dies wird einige der noch geltenden Gravitationstheorien ausschließen. Es wäre sicherlich eine Sensation, falls sich heraustellen würde, das die Allgemeine Relativitätstheorie unter ihnen wäre.

Gravitationswellen

Graphische Darstellung des Experiments zur Detektierung von Gravitationswellen mit einem Netzwerk von Pulsaren. Bild vergrößern
Graphische Darstellung des Experiments zur Detektierung von Gravitationswellen mit einem Netzwerk von Pulsaren.

Gravitationswellen (GW) werden von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie (AR) vorhergesagt. Nachdem Pulsare in Doppelsternsystemen bereits einen eindeutigen Hinweis auf ihre Existenz geliefert haben (s.o.), hat nun ihre direkte Beobachtung durch die irdischen Gravitationswellen-Detektoren LIGO I und II ein neues Fenster in den Kosmos geöffnet. Zum ersten Mal war damit die Beobachtung zweier verschmelzender schwarzer Löcher möglich. Damit wurde der Grundstein für die beobachtende Gravitationswellen-Astronomie gelegt, was einen gewaltige Fortschritte in unserem Verständnis der Gravitation, Kosmologie und astrophysikalischer Prozesse ultrakompakter Objekte verspricht.

Das Prinzip hinter der Detektion von GW mit Radio-Pulsaren beruht auf der Änderung der Entfernung zwischen der Erde und dem Pulsar, die durch die Raumzeit-Verzerrung einer über die Erde laufender GW verursacht wird. Diese Änderung in der Entfernung verursacht ein späteres oder früheres Ankommen der vom Pulsar ausgesandten Lichtpulse. Da dieser Effekt erwartungsgemäß sehr klein ist, benutzen wir die rotationsstabilsten Pulsare, die sogenannte Klasse der Millisekunden-Pulsare. Ein Nachweis erfordert Langzeitbeobachtungen und die Analyse vieler solcher Pulsar-Systeme, die über den gesamten Himmel verteilt sind, auf Englisch als „Pulsar Timing Array” (PTA) bezeichnet. PTAs sind empfindlich für niederfrequente (im Nano-Hertz Bereich) Gravitationswellen. Als hauptsächliche astrophysikalische Quelle solcher GW wird die Verschmelzung  supermassereicher Schwarzer Löcher aus Doppelsystemen in Zentren von Galaxien vermutet. Wir suchen sowohl nach einem stochastischen GW-Hintergrund, der durch die Überlagerung von GW von mehreren solcher Quellen entsteht, als auch nach starken Signalen von einzelnen Quellen im nahen Universum. Der Effekt von GW auf die Ankunftszeit der Pulse würde sich als gekoppeltes Signal in der Ankunftszeit der Pulse von den verschiedenen Pulsaren zeigen.

Das „European Pulsar Timing Array” (EPTA) ist ein Zusammenschluss europäischer Institute mit dem Ziel, niederfrequente GW durch hoch-präzise Pulsmessungen (engl.: „timing observations”) von Radio-Pulsaren zu detektieren. Das EPTA führt regelmäßige Beobachtungen von Millisekunden-Pulsaren mit den größten Radioteleskopen Europas durch, und entwickelt die theoretischen Grundlagen für die Suche nach GW in den Daten und die Interpretation der Ergebnisse. Gleichzeitig wird ununterbrochen an der Verbesserung der Instrumente, der Präzision und der Qualität der Daten gearbeitet.

Das „Large European Array for Pulsars” (LEAP) ist ein innovatives Projekt, bei dem die bedeutendsten Radioteleskope Europas zum weltweit empfindlichsten, voll lenkbaren Radioteleskop verbunden werden. Dabei werden die Signale von allen EPTA-Teleskopen frequenz- und phasengleich miteinander kombiniert. Dies wird die Präzision unserer Pulsmessungen und die Empfindlichkeit des PTA für Gravitationswellen immens steigern.

Niederfrequente GW sind nur mit PTAs nachweisbar. Somit ist unsere Arbeit die Ergänzung zur Suche von GW höherer Frequenzen mit erdgebundenen Gravitationswellen-Detektoren wie LIGO oder geplanten, im Weltraum stationierten Detektoren wie LISA/NGO.

Zustandsgleichung superdichter Materie

Schematische Darstellung des Aufbaus eines Neutronensterns. Bild vergrößern
Schematische Darstellung des Aufbaus eines Neutronensterns.

Betrachtet man die große Masse (~ 1,4 Sonnenmassen) und den kleinen Radius (10-16 km) eines Neutronensterns, so stellt man fest, dass die Masse in seinem Zentrum ein bis zwei Größenordnungen dichter komprimiert ist, als in einem Atomkern. Die Zusammensetzung und das Verhalten von Materie unter diesen extremen Bedingungen ist unbekannt. Durch Messungen der physikalischen Eigenschaften von Neutronensternen (Masse, Radius, Frequenz der Eigenrotation, Trägheitsmoment) kann die Zustandsgleichung von super-dichter Materie bestimmt und einschränkt werden

 
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