Radio Pulsar Binary gibt Einstein mindestens 99,99 % Recht

Mehr als hundert Jahre sind vergangen, seit Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie (GR) formalisiert hat, die geometrische Theorie der Gravitation, die unser Verständnis des Universums revolutioniert hat. Und doch unterziehen Astronomen es immer noch strengen Tests, in der Hoffnung, Abweichungen von dieser etablierten Theorie zu finden. Der Grund ist einfach: Jeder Hinweis auf Physik jenseits von GR würde neue Fenster zum Universum öffnen und dabei helfen, einige der tiefsten Geheimnisse des Kosmos zu lösen.

Einer der strengsten Tests aller Zeiten wurde kürzlich von einem internationalen Team von Astronomen unter der Leitung von Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn durchgeführt. Mit sieben Radioteleskopen aus der ganzen Welt beobachteten Kramer und seine Kollegen 16 Jahre lang ein einzigartiges Pulsarpaar. Dabei beobachteten sie erstmals von GR vorhergesagte Effekte, und zwar mit einer Richtigkeit von mindestens 99,99 %!

Neben Forschern des MPIfR wurden Kramer und seine Mitarbeiter von Forschern aus Institutionen in zehn verschiedenen Ländern unterstützt – darunter das Jodrell Bank Centre for Astrophysics (Großbritannien), das ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (Australien) und das Perimeter Institute für Theoretische Physik (Kanada), das Observatoire de Paris (Frankreich), das Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italien), das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO), das Netherlands Institute for Radio Astronomy (ASTRON) und das Arecibo Observatory.

Pulsare sind sich schnell drehende Neutronensterne, die schmale, weitläufige Strahlen von Radiowellen aussenden. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA

„Radiopulsare“ sind eine besondere Klasse schnell rotierender, stark magnetisierter Neutronensterne. Diese superdichten Objekte senden von ihren Polen starke Funkstrahlen aus, die (in Kombination mit ihrer schnellen Rotation) einen Stroboskopeffekt erzeugen, der einem Leuchtturm ähnelt. Astronomen sind von Pulsaren fasziniert, weil sie eine Fülle von Informationen über die Physik ultrakompakter Objekte, Magnetfelder, das interstellare Medium (ISM), Planetenphysik und sogar Kosmologie liefern.

Darüber hinaus ermöglichen es die extremen beteiligten Gravitationskräfte den Astronomen, Vorhersagen von Gravitationstheorien wie GR und Modified Newtonian Dynamics (MOND) unter einigen der extremsten Bedingungen zu testen, die man sich vorstellen kann. Für ihre Studie untersuchten Kramer und sein Team PSR J0737-3039 A/B, das „Doppelpulsar“-System, das sich 2.400 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Puppis befindet.

Dieses System ist das einzige Radio Pulsar binär jemals beobachtet und wurde 2003 von Mitgliedern des Forschungsteams entdeckt. Die beiden Pulsare, aus denen dieses System besteht, haben schnelle Rotationen – 44 Mal pro Sekunde (A), einmal alle 2,8 Sekunden (B) – und umkreisen sich gegenseitig mit einer Periode von nur 147 Minuten. Obwohl sie etwa 30 % massereicher sind als die Sonne, messen sie nur etwa 24 km (15 mi) im Durchmesser. Daher ihre extreme Anziehungskraft und ihre intensiven Magnetfelder.

Zusätzlich zu diesen Eigenschaften macht die schnelle Umlaufzeit dieses Systems es zu einem nahezu perfekten Labor zum Testen von Gravitationstheorien. Wie Prof. Kramer in einer aktuellen Pressemitteilung des MPIfR sagte:

„Wir haben ein System kompakter Sterne untersucht, das ein konkurrenzloses Labor ist, um Gravitationstheorien in Gegenwart sehr starker Gravitationsfelder zu testen. Zu unserer Freude konnten wir einen Eckpfeiler von Einsteins Theorie testen, die Energie, die von ihnen getragen wird Gravitationswellen, mit einer Genauigkeit, die 25-mal besser ist als beim mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Hulse-Taylor-Pulsar und 1000-mal besser als derzeit mit Gravitationswellendetektoren möglich ist.“

Künstlerische Darstellung der Bahn des Sterns S2, die sehr nahe an Sagittarius A* vorbeiführt, wodurch Astronomen auch Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie unter extremen Bedingungen testen können. Kredit: ESO/M. Kornmesser

Sieben Radioteleskope wurden für die 16-jährige Beobachtungskampagne verwendet, darunter das Parkes Radioteleskop (Australien), das Green Bank Telescope (USA), das Nançay Radio Telescope (Frankreich), das Effelsberg 100-m-Teleskop (Deutschland), das Lovell Radioteleskop (Großbritannien), das Westerbork Synthesis Radio Telescope (Niederlande) und das Very Long Baseline Array (USA).

Diese Observatorien deckten verschiedene Teile des Funkspektrums ab, die von 334 MHz und 700 MHz bis 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz und 2520 MHz reichten. Dabei konnten sie sehen, wie Photonen, die von diesem Doppelpulsar kommen, von seiner starken Anziehungskraft beeinflusst werden. Wie Studienkoautorin Prof. Ingrid Stairs von der University of British Columbia (UBC) in Vancouver erklärte:

„Wir verfolgen die Ausbreitung von Radiophotonen, die von einem kosmischen Leuchtturm, einem Pulsar, ausgesandt werden, und verfolgen ihre Bewegung im starken Gravitationsfeld eines begleitenden Pulsars. Wir sehen zum ersten Mal, wie das Licht aufgrund einer starken Krümmung der Raumzeit um den Begleiter nicht nur verzögert wird, sondern auch, dass das Licht um einen kleinen Winkel von 0,04 Grad abgelenkt wird, den wir erkennen können. Noch nie zuvor wurde ein solches Experiment bei einer so hohen Raumzeitkrümmung durchgeführt.“

Wie Co-Autor Prof. Dick Manchester von der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) hinzufügte, ermöglichte die schnelle Orbitalbewegung kompakter Objekte wie diesen, sieben verschiedene Vorhersagen von GR zu testen. Dazu gehören Gravitationswellen, Lichtausbreitung („Shapiro Delay and Light Bending“), Zeitdilatation, Masse-Energie-Äquivalenz (E=mc²) und welchen Einfluss die elektromagnetische Strahlung auf die Orbitalbewegung des Pulsars hat.

Das Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) in West Virginia. Bildnachweis: GBO/AUI/NSF

„Diese Strahlung entspricht einem Massenverlust von 8 Millionen Tonnen pro Sekunde!“ er sagte. „Obwohl dies viel erscheint, ist es nur ein winziger Bruchteil – 3 Teile in tausend Milliarden Milliarden (!) – der Masse des Pulsars pro Sekunde.“ Die Forscher führten auch äußerst genaue Messungen der Änderungen der Orbitalausrichtung der Pulsare durch, ein relativistischer Effekt, der erstmals bei der Umlaufbahn des Merkur beobachtet wurde – und eines der Rätsel, zu dessen Lösung Einsteins GR-Theorie beigetragen hat.

Nur hier war der Effekt 140.000-mal stärker, was das Team zu der Erkenntnis veranlasste, dass sie auch die Auswirkungen der Rotation des Pulsars auf die umgebende Raumzeit – auch bekannt als – berücksichtigen mussten. der Lense-Thirring-Effekt oder „Frame-Dragging“. Wie Dr. Norbert Wex vom MPIfR, ein weiterer Hauptautor der Studie, einen weiteren Durchbruch ermöglichte:

„In unserem Experiment bedeutet dies, dass wir den inneren Aufbau eines Pulsars als einen betrachten müssen Neutronenstern. Daher erlauben uns unsere Messungen zum ersten Mal, die Präzisionsverfolgung der Rotationen des Neutronensterns zu verwenden, eine Technik, die wir Pulsar-Timing nennen, um Einschränkungen für die Ausdehnung eines Neutronensterns bereitzustellen.“

Eine weitere wertvolle Erkenntnis aus diesem Experiment war, wie das Team komplementäre Beobachtungstechniken kombinierte, um hochgenaue Entfernungsmessungen zu erhalten. Ähnliche Studien wurden in der Vergangenheit oft durch die schlecht eingeschränkten Entfernungsschätzungen behindert. Durch die Kombination der Pulsar-Timing-Technik mit sorgfältigen interferometrischen Messungen (und den Auswirkungen des ISM) erhielt das Team ein hochauflösendes Ergebnis von 2.400 Lichtjahren mit einer Fehlerquote von 8 %.

Künstlerische Darstellung zweier verschmelzender Neutronensterne. Die schmalen Balken stellen den Gammastrahlenausbruch dar, während das kräuselnde Raumzeitgitter die isotropen Gravitationswellen anzeigt, die die Verschmelzung charakterisieren. Bildnachweis: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Am Ende stimmten die Ergebnisse des Teams nicht nur mit GR überein, sondern sie konnten auch Effekte sehen, die vorher nicht untersucht werden konnten. Wie Paulo Freire, ein weiterer Co-Autor der Studie (ebenfalls vom MPIfR), ausdrückte:

„Unsere Ergebnisse ergänzen gut andere experimentelle Studien, die die Schwerkraft unter anderen Bedingungen testen oder andere Effekte sehen, wie Gravitationswellendetektoren oder das Event Horizon Telescope. Sie ergänzen auch andere Pulsar-Experimente, wie unser Timing-Experiment mit dem Pulsar in einem stellaren Dreifachsystem, das einen unabhängigen (und hervorragenden) Test der Universalität des freien Falls geliefert hat.“

„Wir haben eine bisher unerreichte Präzision erreicht“, so Prof. Kramer abschließend. „Zukünftige Experimente mit noch größeren Teleskopen können und werden noch weiter gehen. Unsere Arbeit hat gezeigt, wie solche Experimente durchgeführt werden müssen und welche subtilen Effekte nun berücksichtigt werden müssen. Und vielleicht finden wir eines Tages eine Abweichung von der Allgemeinen Relativitätstheorie.“

Das Papier, das ihre Forschung beschreibt, ist kürzlich in der Zeitschrift erschienen Körperliche Überprüfung X,

Ursprünglich veröffentlicht auf Universe Today.

Weitere Informationen zu dieser Forschung:

Referenz: „Strong-field Gravity Tests with the Double Pulsar“ von M. Kramer et al., 13. Dezember 2021, Körperliche Überprüfung X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050