Ein Schwergewicht für Einstein

Beobachtungen am massereichsten Neutronenstern bestätigen Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie

25. April 2013

Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern aus dem Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat mit mehreren großen Radioantennen und optischen Teleskopen einen Pulsar und seinen Begleiter, einen Weißen Zwerg, detailliert untersucht. Die Beobachtungen zeigen ein Doppelsternsystem mit ungewöhnlichen Eigenschaften: Der Pulsar wiegt doppelt so viel wie die Sonne und ist damit der massereichste bisher bekannte Neutronenstern. In Verbindung mit der sehr kurzen Umlaufperiode von nur 2,5 Stunden ergeben sich unter anderem neue Erkenntnisse über die Aussendung von Gravitationswellen. So bildet das System einen Modellfall für die Untersuchung der Allgemeinen Relativitätstheorie unter extremen Bedingungen.

Das Doppelsternsystem PSR J0348+0432: Der Pulsar (links, dargestellt mit stark gebündelter Radiostrahlung in zwei entgegengesetzten Richtungen) ist sehr kompakt und führt zu einer starken Deformation der Raumzeit, verdeutlicht durch das grüne Koordinatengitter. Der Weiße Zwerg als Begleitstern mit geringerer Masse ist rechts davon in hellblauer Farbe dargestellt.

© Science / J. Antoniadis (MPIfR)

Das Doppelsternsystem PSR J0348+0432: Der Pulsar (links, dargestellt mit stark gebündelter Radiostrahlung in zwei entgegengesetzten Richtungen) ist sehr kompakt und führt zu einer starken Deformation der Raumzeit, verdeutlicht durch das grüne Koordinatengitter. Der Weiße Zwerg als Begleitstern mit geringerer Masse ist rechts davon in hellblauer Farbe dargestellt.

© Science / J. Antoniadis (MPIfR)

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. Entdeckt wurden diese Objekte vor etwa einem halben Jahrhundert als Pulsare, die sehr schnell um ihre Achse rotieren und dabei wie ein Leuchtturm Signale aussenden.

Neutronensterne sind für die Forscher vor allem deswegen interessant, weil sie die Möglichkeit bieten, physikalische Vorgänge unter einzigartigen Bedingungen zu untersuchen. So etwa lässt sich an ihnen Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie prüfen – die Vorhersage von Gravitationswellen. Für deren indirekten Nachweis wurde im Jahr 1993 der Nobelpreis verliehen.

PSR J0348+0432 ist ein Pulsar in einem Doppelsternsystem zusammen mit einem Weißen Zwerg, den Forscher vor wenigen Jahren im Rahmen eines umfassenden Suchprogramms mit dem Green-Bank-Radioteleskop fanden. Der Pulsar und der Weiße Zwerg in diesem System befinden sich im Abstand von nur 830000 Kilometern zueinander; das ist nur etwas mehr als ein Sonnenradius.

Dadurch strahlt das System Gravitationswellen ab, die – wie von Einstein vorhergesagt – zu einer weiteren Verringerung des Abstands beider Komponenten und einer damit verbundenen Abnahme der Bahnperiode führen. Um diesen Effekt quantitativ testen zu können, benötigt man jedoch die Massen von Pulsar und Begleiter.

„Die Änderungen in der Lichtkurve des Weißen Zwergs, die von seiner zwei Millionen Stundenkilometer schnellen Bewegung um den Pulsar herrühren, habe ich am Very Large Telescope gemessen”, sagt John Antoniadis, IMPRS-Doktorand am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und Erstautor der Veröffentlichung in der Zeitschrift Science. „Dieses Verfahren ermöglicht uns, sowohl den Weißen Zwerg als auch den Pulsar abzuwiegen und damit die Masse von beiden zu bestimmen.“ Schon bei einer ersten groben Analyse der Daten war klar, „dass wir uns einen ganz schönen Brocken eingefangen hatten“. Mit der doppelten Masse der Sonne ist das der schwerste bis jetzt bekannte Pulsar.

Mittels der so bestimmten Massen ließ sich der Energieanteil berechnen, der in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wird und zu einer Verkürzung der Umlaufperiode in dem System führt. Den Mitgliedern des Teams war sofort klar, dass sich diese Änderung der Umlaufperiode in den Radiosignalen des Pulsars zeigen müsste. Daher nahmen sie das Doppelsternsystem regelmäßig an den drei größten Radioteleskopen der Welt unter die Lupe.