Die Allgemeine Relativitäts­theorie Albert Einsteins hält weiterhin allen Tests stand. Ein internationales Forscher­team hat anhand eines extremen Doppel­stern­systems – zwei schnell rotierende Neutronen­sterne, die sich auf einer engen Bahn umkreisen – gleich sieben von der Relativitäts­theorie vorhergesagte Phänomene überprüft, einige davon zum ersten Mal. Einsteins Theorie stimme mit einer Genauigkeit von 99,99 Prozent mit den Beobachtungen überein, so die Wissenschaftler und Wissenschaft­lerinnen im Fachblatt „Physical Review X“.

„Wir haben ein System mit zwei Sternen von extrem hoher Dichte untersucht, das ein einzigartiges Labor darstellt, um Gravitations­theorien in der Anwesenheit sehr starker Gravitations­felder zu testen“, erklärt Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radio­astronomie in Bonn, der das Team leitet. Bereits 2003 hatten Mitglieder des Teams das bislang einzigartige System aus zwei Radio­pulsaren entdeckt. Insgesamt 16 Jahre lang haben die Astronomen und Astrono­minnen mit sieben Radio­teleskopen die Strahlung der Pulsare mit hoher Genauigkeit beobachtet, um die Relativitäts­theorie zu überprüfen.

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Relativistische Effekte untersuchen

Pulsare sind Neutronen­sterne, Überreste explodierter Sterne, in denen die Materie so dicht gepackt ist wie in Atomkernen. Bei einer Größe von nur 24 Kilometern Durchmesser enthalten sie etwa so viel Masse wie unsere Sonne. Viele Neutronen­sterne rotieren mit hoher Geschwindigkeit und besitzen ein starkes Magnetfeld. Entlang der Nord-Süd-Achse des Magnetfelds sendet ein solcher Neutronen­stern stark gebündelt Licht und Radio­strahlung aus. Da die Achse des Magnetfelds gegen die Rotations­achse gekippt ist, streicht dieser gebündelte Strahl ähnlich dem Kegel eines Leuchtturms durchs All. Trifft dieser Kegel bei seiner Rotation auf die Erde, so empfangen die Astronomen und Astronominnen von dem Neutronenstern regelmäßig eintreffende Strahlungs­pulse – daher der Name dieser Himmelsobjekte.

Das von Kramer und seinem Team untersuchte System PSR J0737-3039 ist 2400 Lichtjahre von der Erde entfernt und besteht aus zwei Pulsaren, die sich in nur 147 Minuten im Abstand von weniger als einer Million Kilometern umkreisen. Zum Vergleich: Die Erde ist 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt. Einer der Pulsare dreht sich sehr schnell, etwa 44-mal pro Sekunde, während sein jüngerer Begleiter 2,8 Sekunden für eine Umdrehung braucht. Die von den beiden Objekten ausgehende Radiostrahlung bietet eine bislang einzigartige Möglichkeit, relativistische Effekte bei schnellen Bewegungen und starker Schwerkraft zu untersuchen.

Licht wird um einen kleinen Winkel abgelenkt

So konnten die Forscher und Forscherinnen aus langsamen Veränderungen der auf der Erde eintreffenden Strahlungs­pulse den Energieverlust durch die Abstrahlung von Gravitations­wellen messen. Ebenso konnten sie die Verlangsamung der Zeit im Schwerefeld der Pulsare bestimmen und die Ablenkung von Licht durch die Gravitation beobachten – Letzteres erstmalig im Bereich starker Gravitation, wie die Forschenden betonen.

„Wir sehen zum ersten Mal, dass das Licht nicht nur aufgrund einer starken Krümmung der Raumzeit um den Begleiter verzögert wird“, so Ingrid Stairs von der University of British Columbia in Vancouver, „sondern, dass das Licht auch um einen kleinen Winkel von 0,04 Grad abgelenkt wird, den wir nachweisen können. Nie zuvor wurde ein solches Experiment bei einer so starken Raum­zeit­krümmung durchgeführt.“

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Quantenmechanik und die Relativitäts­theorie

Nachweisen konnte das Team auch die sogenannte Perihel­drehung, eine langsame Drehung der Bahnellipsen. Dieses Phänomen ist in unserem Sonnensystem bereits von der Bahn des Planeten Merkur her bekannt – und seine Erklärung war einer der ersten großen Erfolge der Relativitäts­theorie. Im Falle des Doppelpulsars konnten Kramer und seine Kollegen und Kolleginnen sogar noch einen Schritt weiter gehen: Da sich die Pulsare schnell drehen, „ziehen“ sie die Raumzeit in ihrer Umgebung gewisser­maßen mit sich. Auch diesen Lense-Thirring-Effekt konnten die Forscher anhand der Drehung der Ellipsen­bahnen nachweisen.

Den neuerlichen Erfolg der inzwischen über hundert Jahre alten Allgemeinen Relativitäts­theorie von Einstein sehen die Astrophysiker mit einem lachenden und einem weinenden Auge. Weitaus spannender nämlich wäre es für die Wissen­schaftler, eine Abweichung von den theoretischen Vorhersagen zu finden – denn eine solche könnte ein Fenster zu „neuer Physik“ aufstoßen. Das heutige physikalische Weltbild ruht auf zwei Pfeilern – der Quanten­mechanik und der Relativitätstheorie. Doch die beiden Theorien passen nicht recht zusammen – deshalb suchen die Forscher nach einer übergeordneten „Theorie von allem“. Der Doppelpulsar PSR J0737-3039 jedoch lieferte bisher keinerlei Hinweis auf damit verbundene neue Phänomene.

RND/dpa