[HOT] : Die allgemeine Relativitätstheorie erneut bestätigt durch die Beobachtung eines Pulsarspaares

16 Jahre lang führte ein internationales Forscherteam ein Experiment durch, um Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erneut in Frage zu stellen. Sie untersuchten ein Paar extremer Sterne mit sieben Radioteleskopen auf der ganzen Welt und beobachteten zum ersten Mal neue relativistische Effekte. Nach einer Reihe extrem strenger Tests bestätigen sie, dass das Verhalten dieser Pulsare mit Einsteins Vorhersagen übereinstimmt.

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt den Einfluss des Vorhandenseins von Materie – allgemeiner von Energie – auf die Bewegung der Sterne unter Berücksichtigung der Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie; es besagt insbesondere, dass die Gravitation keine Kraft ist, sondern die Manifestation der Krümmung der Raumzeit. „Wenn wir etwas wirklich Massives haben, verzerrt es die Raumzeit um es herum stärker als etwas weniger Massives“, sagt Dr. Robert Ferdman von der School of Physics der University of Montreal.

Diese Theorie kann viele Phänomene erklären, ist jedoch mit den anderen von der Quantenmechanik beschriebenen fundamentalen Kräften nicht kompatibel. „Über 100 Jahre später setzen Wissenschaftler auf der ganzen Welt ihre Bemühungen fort, Schlupflöcher in dieser Theorie zu finden“, sagt Ferdman. Aber bisher konnte kein experimenteller Test diese Theorie bemängeln. Und das beobachtete Pulsarpaar mit dem Namen PSR J0737-3039A / B bestätigt einmal mehr die Vorhersagen.

„Ein unübertroffenes Labor“ zum Testen der Gravitationstheorien

Für Wissenschaftler ist es wichtig, die Allgemeine Relativitätstheorie weiterhin möglichst strengen Tests zu unterziehen, um herauszufinden, unter welchen Umständen die Relativitätstheorie zusammenbricht. „Eine Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie zu finden, wäre eine wichtige Entdeckung, die ein Fenster zu neuer Physik jenseits unseres derzeitigen theoretischen Verständnisses des Universums öffnen würde“, sagt Ferdman. Das ultimative Ziel ist es, eines Tages eine „Theorie von allem“ zu entdecken, die konsequent alle fundamentalen Kräfte der Natur beschreibt. Ein Forscherteam versuchte deshalb mit zwei Pulsaren, die berühmte Theorie noch einmal auf die Probe zu stellen.

Pulsare sind sehr schnell rotierende Neutronensterne – sehr kleine, sehr dichte Sterne, die einen Durchmesser von bis zu 20 Kilometern haben und deren Masse etwa 2,4 Sonnenmassen entsprechen kann. Diese Objekte senden von ihren magnetischen Polen intensive elektromagnetische Strahlung aus; sie erzeugen ein periodisches Signal in der Größenordnung von einer Millisekunde bis zu einigen zehn Sekunden. Da diese „Blitze“ mit unglaublicher Präzision zeitgesteuert werden, werden sie von Astronomen häufig verwendet, insbesondere zur Sondierung des interstellaren Mediums und zum Studium der Schwerkraft.

Der 2003 entdeckte Pulsar PSR J0737-3039A/B in einer Entfernung von etwa 2400 Lichtjahren ist der einzige bisher identifizierte Doppelpulsar. Die beiden sind sich sehr nahe und drehen sich in nur 147 Minuten mit rund einer Million km/h umeinander. Man dreht sich sehr schnell, ungefähr 44 Mal pro Sekunde; sein jüngerer Begleiter ist langsamer: seine Rotationszeit beträgt 2,8 Sekunden.

Da diese Objekte extrem dicht sind, sind ihre Gravitationsfelder sehr stark, sodass sie jeweils das Timing und den Winkel der Impulse ihres Nachbarn erheblich beeinflussen können. Für Experten ist dies eine unglaubliche Studienmöglichkeit, „ein unvergleichliches Labor zum Testen der Gravitationstheorien in Gegenwart sehr starker Gravitationsfelder“, erklärt Michael Kramer, Astronom und Astrophysiker am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland, und Leiter dieser Forschung.

Sieben „Tests“ der Allgemeinen Relativitätstheorie erfolgreich bestanden

Sieben empfindliche Radioteleskope – in Australien, den Vereinigten Staaten, Frankreich, Deutschland, den Niederlanden und Großbritannien – wurden verwendet, um diesen Doppelpulsar zu verfolgen. Diese Beobachtungen stimmten nicht nur mit der Relativitätstheorie überein, das Team konnte auch noch nie zuvor untersuchte relativistische Effekte erkennen. Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Licht stark gebogen wird, wenn Photonen dem verzerrten Weg der Raumzeit folgen. Sie sagt auch voraus, dass Neutronensterne, wenn sie beschleunigen, Gravitationswellen aussenden, die ihre Umlaufbahn reduzieren – bekannt als „Orbitalzerfall“. Diese beiden theoretischen Vorhersagen werden nun bestätigt.

Das Team stellte fest, dass die Radiopulse durchweg später als erwartet eintrafen und berechneten, dass dies daran lag, dass sie aufgrund der starken Krümmung der Raumzeit um die beiden Sterne in einem Winkel von 0,04 ° abgelenkt wurden. „Noch nie zuvor wurde ein solches Experiment bei einer solchen Krümmung der Raumzeit durchgeführt“, sagt Ingrid Stairs, Astrophysikerin an der University of British Columbia in Vancouver.

Kumulative Verschiebung der orbitalen Periapsiszeit für den Doppelpulsar. Die Daten werden mit zwei Gravitationstheorien verglichen: Einsteins Relativitätstheorie, die die Emission von Gravitationswellen vorhersagt, und Newtons Theorie. Die Beobachtungen von Kramer und seinen Kollegen zeigen eine außergewöhnliche Übereinstimmung mit Einsteins Theorie.

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Die Forscher fanden auch heraus, dass die Pulsare aufgrund der Emission von Gravitationswellen einem Orbitalzerfall unterliegen. „Wir konnten einen Eckpfeiler von Einsteins Theorie, die von Gravitationswellen getragene Energie, mit einer 25-mal besseren Genauigkeit als mit dem nobelpreisgekrönten Hulse-Taylor-Pulsar und 1000-mal besser testen, was derzeit mit Gravitationswellen möglich ist Wellendetektoren“, betont Kramer.

Insgesamt konnten die Forscher sieben Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie durchführen, unter anderem, wie sich die Orientierung der Bahn des Doppelpulsars (die apsidale Präzession) ändert und wie die Pulsare bei ihrer Drehung „die Raumzeit trainieren“. den „Lense-Thirring-Effekt“. „Neben Gravitationswellen und der Lichtausbreitung erlaubt uns unsere Präzision auch, den Effekt der ‚Zeitdilatation‘ zu messen, die Uhren in Gravitationsfeldern verlangsamt“, ergänzt Manchester, Astrophysiker der Agentur. Australischer Wissenschaftler (CSIRO) .

„Dies ist der bisher strengste Test für Einsteins Theorie und er setzt die Messlatte, die zukünftige Experimente in Bezug auf die Genauigkeit ansetzen müssen, um die Allgemeine Relativitätstheorie sinnvoll zu testen“, fasst Ferdman zusammen. In den nächsten Jahren, wenn leistungsfähigere Teleskope auf den Markt kommen, werden die Schwerkrafttests zweifellos noch präziser und Wissenschaftler könnten schließlich ein Schlupfloch in der Relativitätstheorie finden.

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