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.

„Unsere Beobachtungen mit den beiden Antennen in Effelsberg und Arecibo waren derart präzis, dass wir bereits Ende 2012 eine Änderung von nur acht Mikrosekunden pro Jahr in der Umlaufperiode und damit exakt den von der Relativitätstheorie vorhergesagten Wert nachweisen konnten“, sagt Paulo Freire, Wissenschaftler am Bonner Max-Planck-Institut. „Diese Messungen sind so wichtig, dass der europäische Forschungsrat dafür erst kürzlich mit Beacon ein neuartiges Empfängersystem zum Einsatz am Radioteleskop Effelsberg gefördert hat.“

Armada der Teleskope: Die Radioantennen und optischen Fernrohre, die zur Untersuchung des Doppelsternsystems PSR J0348+0432 eingesetzt wurden. Obere Reihe (von links): Green Bank (GBT), Arecibo und Effelsberg; untere Reihe (von links): Very Large Telescope (VLT) und William-Herschel-Teleskop (WHT).

In Bezug auf seine Schwerkraft ist PSR J0348+0432 ein sehr extremes Objekt – auch im Vergleich zu anderen Pulsaren, die bisher schon für hochpräzise Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie zur Verfügung standen. Die Gravitation auf seiner Oberfläche ist mehr als 300 Milliarden Mal stärker als auf der Erde. Im Zentrum dieses Neutronensterns sind mehr als eine Milliarde Tonnen Materie auf das Volumen eines Zuckerwürfels zusammengepresst.

Diese Zahlen sind nahezu doppelt so hoch wie in den bisher bekannten Neutronensternen. Eine solch große Masse, in einem kleinen Volumen konzentriert, verzerrt nach der Allgemeinen Relativitätstheorie den Raum. So waren die Astronomen zum ersten Mal in der Lage, die Bewegung eines Objekts in einer derart stark deformierten Raumzeit präzis zu vermessen.

„Das aufregendste Ergebnis für uns war, dass die Allgemeine Relativitätstheorie sich auch in einem so extremen Umfeld noch vollständig bewährt“, sagt Norbert Wex, theoretischer Astrophysiker in der Forschungsabteilung Radioastronomische Fundamentalphysik am Bonner Institut. Tatsächlich gibt es alternative Theorien, die davon abweichende Vorhersagen machen und nun zuverlässig ausgeschlossen werden können.

In diesem Zusammenhang ermöglicht PSR J0348+0432 sogar ein noch tieferes Verständnis der Gravitation als der berühmte Doppelpulsar J0737-3039A/B, dessen Entdeckung die Redaktion von Science zu einer der zehn bedeutendsten wissenschaftlichen Errungenschaften des Jahres 2004 gekürt hatte.

„Diese extremen physikalischen Bedingungen kann man unmöglich in irdischen Laboratorien nachbilden“, sagt Thomas Tauris von der Arbeitsgruppe Stellarphysik am Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. „Wir möchten gern etwas darüber erfahren, wie die Natur solche Systeme für uns aufbaut. Im Fall von PSR J0348+0432 müssen wir unsere Sternentwicklungsmodelle bis an die Grenze strapazieren.“

Das stellare System habe eine einzigartige Kombination von Eigenschaften: kurze Umlaufperiode und einen Pulsar mit hoher Masse, relativ langsamer Eigenrotation und einem starken Magnetfeld. Insgesamt sei das eine sehr interessante Herausforderung für unsere Theorien zur Entwicklung von Doppelsternsystemen.

Die Ergebnisse sind nicht zuletzt wichtig für den direkten Nachweis von Gravitationswellen. Dazu werden auf der Erde große Detektoranlagen wie die Laser-Interferometer Geo600, Ligo und Virgo eingesetzt. Eines der Schlüsselsignale, das man aus deren Daten erwartet, kommt von Gravitationswellen, die von zwei Neutronensternen in einem engen Binärsystem in den letzten Minuten ausgesendet werden, bevor sie sich auf spiralförmiger Bahn sehr rasch aufeinander zubewegen und schließlich miteinander verschmelzen.

Es bedurfte jahrzehntelanger theoretischer Forschung im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie, um die von einer solchen Kollision erwarteten Gravitationswellen zu berechnen. Die mathematischen Gleichungen dazu werden benötigt, um die Gravitationswellen in den Aufzeichnungen der Anlagen zu identifizieren.

„Unsere Ergebnisse zu PSR J0348+0432 geben uns zusätzliches Vertrauen in die Gleichungen für die komplette Spannweite der Massen von Neutronensternen, wie wir sie in der Natur beobachten“, sagt Michael Kramer, Max-Planck-Direktor und Leiter der Forschungsabteilung Radioastronomische Fundamentalphysik. „Wenn man den großen Aufwand berücksichtigt, der in die Ableitung dieser Gleichungen gesteckt worden ist, dann ist es eine sehr gute Nachricht für unsere Kollegen aus der Gravitationswellen-Astronomie, dass Einsteins Theorie auch diesen Test bestanden hat.“


Die Teleskope: Das "Very Large Telescope" (VLT) der ESO in Chile wurde dafür benutzt, die Massen beider Komponenten, des Pulsars und des Weißen Zwergs, zu bestimmen. Das William-Herschel-Teleskop (WHT) auf La Palma diente dazu, das Verhalten des Weißen Zwergs systematisch zu überwachen. Mit dem Green-Bank-Teleskop (GBT) wurde der Pulsar PSR J0348+0432 im Jahr 2007 entdeckt. Mit den beiden Radioteleskopen in Arecibo und Effelsberg wurde die Änderung in der Umlaufperiode des Systems vermessen.

BEACON: Die Effelsberg-Beobachtungen sind Teil von "BEACON", einem vom europäischen Forschungsrat (ERC) geförderten 1,9-Millionen-Euro-Projekt zur Untersuchung der Gravitation über Präzisionsmessungen von Pulsaren. Paulo Freire vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie ist Projektleiter von BEACON. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein neuartiges Empfangssystem für das Radioteleskop Effelsberg konstruiert, mit dem in den nächsten Monaten auch der Pulsar PSR J0348+432 untersucht werden wird. Das Ziel dabei ist, die Genauigkeit der bisher erhaltenen Resultate nochmals deutlich zu verbessern.

NJ / HOR

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