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Doppelpulsar PSR J0737-3039: Einstein hat mal wieder Recht

Trotz ihres fortgeschrittenen Alters hat die allgemeine Relativitätstheorie nichts von ihrer Vorhersagekraft eingebüßt. Das zeigt das Beispiel eines exotischen Doppelpulsars.
Illustration des Shapiro-Effekts beim Doppelpulsar PSR J0737-3039

Das bislang einzigartige Labor befindet sich rund 2400 Lichtjahre entfernt im Sternbild Puppis, dem Achterdeck des Schiffs: Dort umkreisen sich zwei Neutronensterne in nur 147 Minuten. Um sich selbst drehen sie sich dabei auch noch, für eine Rotation um die eigene Achse braucht der eine Neutronenstern nur 44 Millisekunden. Sein Begleiter ist mit 2,8 Sekunden etwas gemächlicher unterwegs. Forscherinnen und Forscher auf der Erde bekommen davon etwas mit, weil beide Neutronensterne sich als Pulsare betätigen, die Radiowellen gen Erde ausstrahlen. Mit Hilfe der Radiosignale dieses Doppelpulsars namens PSR J0737-3039 konnte nun ein internationales Team die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein gründlich überprüfen. Ihre Ergebnisse stellen sie im Fachmagazin »Physical Review X« vor.

Die Kurzzusammenfassung lautet: Einstein hat mal wieder Recht. Leider.

Der Doppelpulsar PSR J0737-3039 als Prüfstand für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie

Über 16 Jahre lang hatte das Team um Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn den 2003 entdecken Doppelpulsar PSR J0737-3039 mit sieben auf der ganzen Welt verteilten Radioteleskopen untersucht. Doppelsysteme, die aus mindestens einem Pulsar bestehen, werden von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern auf Grund ihrer extremen Eigenschaften geschätzt. Denn die Neutronensterne mögen zwar nur wenig mehr Masse als die Sonne haben, sind dabei mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometer aber recht klein. Deshalb sollten sich bei ihnen Effekte der Relativitätstheorie bemerkbar machen, die mit irdischen Mitteln nicht zu erzeugen sind.

Das einzigartige Labor des Doppelpulsars PSR J0737-3039 | Der Doppelpulsar PSR J0737-3039 ist bislang völlig einzigartig: Beide Neutronensterne im Doppelsystem lassen sich als Pulsare auf der Erde nachweisen. Darüber hinaus haben Astronominnen und Astronomen Glück bei der Geometrie, denn sie blicken fast exakt seitlich auf das System: Die Neigung seiner Bahnebene relativ zu uns beträgt weniger als ein Grad. Und schließlich ist das System mit rund 2400 Lichtjahren Entfernung relativ nahe und daher ziemlich hell. Diese drei Faktoren ermöglichen es Forscherinnen und Forschern auf der Erde, mehrere Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie rigorosen Tests zu unterziehen.

Laut einer Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie sollte ein derartiges Doppelsystem zum Beispiel Gravitationswellen ausstrahlen. Da im Universum nichts umsonst ist, verliert das System dadurch Energie, mit dem Ergebnis, dass sich die beiden Neutronensterne immer näher kommen – bis sie irgendwann miteinander verschmelzen. Eben diese Annäherung hat das Team nun nachgewiesen, und damit indirekt auch die Gravitationswellen: »Nach jedem Jahr brauchen die Neutronensterne 39 Mikrosekunden weniger für eine Umrundung«, sagt Paulo Freire vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie. »Das heißt, dass die Neutronensterne in rund 86 Millionen Jahren miteinander verschmelzen werden.« Zwar war eine derartige Messung am Hulse-Taylor-Pulsar bereits 1993 einen Nobelpreis für Physik wert. Aber die jetzigen Messungen sind 25-mal genauer – vor allem, weil es dem Team gelang, die Entfernung von PSR J0737-3039 päziser abzuschätzen, als dies beim nobelpreiswürdigen Hulse-Taylor-Pulsar möglich war und ist.

Auch nur durch die allgemeine Relativitätstheorie lässt sich die Periheldrehung des Merkurs erklären, bei der die Planetenumlaufbahn mit der Zeit ihre Richtung ändert. »Diesen Effekt können wir auch bei den Doppelpulsaren sehr genau beobachten. Allerdings ist der Effekt hier an nur einem Tag so groß wie bei Merkur in rund 400 Jahren«, sagt Paulo Freire. Zusätzlich dazu mussten die Forscherinnen und Forscher einen weiteren relativistischen Effekt beachten, um diese Bahndrehung überhaupt erklären zu können: den Lense-Thirring-Effekt. Vereinfacht gesagt beschreibt dieser Effekt das Phänomen, dass der rotierende Neutronenstern die Raumzeit um das ganze Doppelsystem mit sich zerrt. Dieser Effekt war vorher nur in unserem eigenen Sonnensystem messbar gewesen.

Mit dem Doppelpulsar PSR J0737-3039 konnte das Forscherteam, an dem auch Paulo Freire beteiligt war, insgesamt sieben Vorhersagen und Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie überprüfen und bestätigen. Was für ein voller Erfolg für Albert Einstein und seine allgemeine Relativitätstheorie klingt, ist für die Forscherinnen und Forscher eigentlich eine kleine Enttäuschung: »Wir fänden nichts besser, als Hinweise auf etwas aufzudecken, das auf eine Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie hindeutet«, sagt Paulo Freire. »Aber ich muss sagen, dass sie eine ausgezeichnete Theorie ist. Alle Effekte, die wir beobachten, folgen genau ihren Vorhersagen.«

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