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Pulsar J1745-2900 sendet Strahlung in die Weiten des Weltraums

Härtetest für Einstein

Zwei weiße Zwerge und ein Neutronenstern auf engstem Raum: Die Entdeckung eines ungewöhnlichen Sternentrios könnte sich als Glücksfall für die Kosmologie erweisen. Forscher wollen damit die Grenzen von Einsteins Relativitätstheorie ausloten.

Entdeckung 07.01.2014

"Überhaupt hat der Fortschritt das an sich, dass er viel größer ausschaut, als er wirklich ist", notierte Johann Nepomuk Nestroy einmal. Das mag in vielen Bereichen zutreffen, ausgenommen die Astronomie: Denn die Teleskope, die in die Weiten des Alls spähen, werden mit jeder Generation leistungsstärker.

So weit entfernt und so unscheinbar kann ein Sternensystem gar nicht sein, so scheint es, als dass es die Wissenschaftler nicht früher oder später aufspüren würden. So geschehen etwa kürzlich in der Ortschaft Green Bank im US-Bundesstaat West Virginia.

Dort steht eines der größten Radioteleskope der Welt, das Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT). Jason Boyles von der Western Kentucky University hat mit Hilfe des GBT nach rotierenden Neutronensternen, sogenannten Pulsaren, gesucht und 4.200 Lichtjahre von der Erde entfernt einen solchen gefunden. Er dreht sich in einer Sekunde 366 Mal um seine Achse und sendet dabei, einem Leuchtturm ähnlich, ein charakteristisches Radiosignal ins All.

Rekordvermessung von Sternen

Pulsar und zwei Weiße Zwerge

Bill Saxton; NRAO/AUI/NSF

Pulsar und zwei Weiße Zwerge in unmittelbarer Nachbarschaft

Solche schnell rotierenden Pulsare waren schon früher bekannt, dieser ist allerdings ein besonderes Exemplar. In seiner unmittelbaren Nähe befindet sich nämlich ein Weißer Zwerg, ein kleiner, heißer, weißer Stern mit geringer Leuchtkraft. Wie Boyles Kollegin Anne Archibald auf dem Jahrestreffen der American Astronomical Society berichtet, spürte das GBT noch einen weiteren Weißen Zwerg auf. Alle drei Sterne befinden sich - gemessen an astronomischen Verhältnissen - fast in Tuchfühlung zueinander. Sie bewegen sich in einem Gebiet, das kleiner ist als der Orbit der Erde um die Sonne. Dementsprechend stark sind die Gravitationswirkungen, die die drei Sterne aufeinander ausüben.

Da der Pulsar durch seine regelmäßige Rotation wie eine Radiouhr funktioniert, lassen sich damit selbst geringste Schwankungen der Schwerkraft vermessen. Und das kommt der Kosmologie sehr gelegen. "Wir haben die Massen der drei Sterne bestimmt, die Messungen gehören zu den genausten in der Geschichte der Astronomie", sagt Archibald, die am Niederländischen Institut für Radioastronomie forscht.

Auch die Positionsbestimmungen können sich sehen lassen. Obwohl das System 40.000 Billionen Kilometer von der Erde entfernt ist, haben die Forscher die Abstände der Sterne mit einer Fehlerrate von lediglich ein paar Hundert Metern bestimmt.

Ist die Relativitätstheorie falsch?

Der eigentliche Wert des Sternentrios liegt allerdings jenseits der reinen Messrekorde. Mit seiner Hilfe wäre nämlich eine Überprüfung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie möglich. Nicht, dass diese in den knapp hundert Jahren ihres Bestehens nicht schon getestet worden wäre - sie wurde oft überprüft und immer fiel das Ergebnis positiv aus. Doch die Theorie hat - bei allem Erfolg - eine Schwachstelle. Sie ist unvereinbar mit der zweiten großen (und mindestens ebenso erfolgreichen) Theorie der Physik.

Quantentheorie und Allgemeine Relativitätstheorie (ART) widersprechen einander, daher kann nur eine von den beiden stimmen. Die meisten Physiker gehen davon aus, dass die Quanten die Oberhand behalten und die ART unter extremen Bedingungen "zusammenbricht", also falsche Vorhersagen liefert. Die drei Sterne könnten solche Bedingungen liefern.

Konkret wollen Archibald, Boyle und ihre Kollegen ein Prinzip unter die Lupe nehmen, das anno 1915 in Einsteins Überlegungen eine zentrale Rolle einnahm. Das sogenannte Äquivalenzprinzip besagt, dass schwere und träge Masse das Gleiche sind.

Physiker im freien Fall

Angewandtes Beispiel: Ein Mensch, zufällig ein Physiker, befindet sich in einem Aufzug, dessen Seil plötzlich reißt. Der Aufzug stürzt zu Boden und beschleunigt so stark, dass der Wissenschaftler zu schweben beginnt. Vom Inneren der Kabine aus kann der Physiker, so versiert er auch sein mag, nicht herausfinden, ob er sich nun im freien Fall befindet (was objektiv gesehen die richtige Antwort wäre) oder ob er deshalb schwebt, weil plötzlich das Gravitationsfeld verschwunden ist.

Das mag ein spitzfindiges Problem sein, für die theoretische Physik ist es allerdings wichtig. Denn viele Alternativen zu Einsteins Relativitätstheorie kommen ohne die Gleichsetzung von schwerer und träger Masse aus. "Mit Präzisionsmessungen der Pulsarsignale könnten wir Abweichungen vom Äquivalenzprinzip feststellen", sagt Ingrid Stairs von der University of British Columbia. "Solche Abweichungen würden auf einen Zusammenbruch der Relativitätstheorie hindeuten und uns den Weg zu einer neuen, korrekten Theorie der Gravitation weisen." Sollte es gelingen, wäre das zweifelsohne ein Fortschritt. Eigentlich sogar einer, der größer ist, als er ausschaut.

Robert Czepel, science.ORF.at

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