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News: Einstein auf dem Prüfstand

Die Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass der Raum durch die Schwerkraft von Körpern verzerrt wird. Dies wiederum hat Auswirkungen auf die Geschwindigkeit mit der sich elektromagnetische Wellen in diesem Raum ausbreiten: Sie werden verzögert. Jetzt gelang Forschern erneut der Nachweis dieses Shapiro-Effekts, und dabei kamen sie auch einem anderen Phänomen ein Stückchen näher: den geheimnisvollen Gravitationswellen.
Kaum jemand zweifelt an der Gültigkeit von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, wenngleich sie experimentell notorisch schwierig zu überprüfen ist. Eines der Probleme liegt in der kaum messbaren Winzigkeit ihrer Effekte, weshalb sich die Forscher in der Regel besonders massereicher Objekte bedienen: Planeten zum Beispiel, oder Sterne.

So konnte Irwin Shapiro von der Harvard University 1968 einen wichtigen Aspekt der Allgemeinen Relativitätstheorie nachweisen, wonach elektromagnetische Strahlung in einem Gravitationsfeld verzögert wird. Shapiro erkannte, dass von der Merkur-Oberfläche reflektierte Radarwellen im Schwerefeld der Sonne auf ihrem Weg zu Erde tatsächlich länger unterwegs waren. Der "Shapiro-Effekt" erhielt seinen Namen.

Jetzt gelang Forschern ein neuerlicher Nachweis dieses Effekts, diesmal mithilfe eines Pulsars, der in 450 Lichtjahren Entfernung zusammen mit einem Weißen Zwerg ein Doppelsystem bildet. Pulsare sind rotierende Neutronensterne - Sterne so hoher Dichte, dass die Atome kollabierten und seine Materie deshalb im Wesentlichen aus Neutronen besteht. Von den Pulsaren gehen in sehr regelmäßiger Folge kurze Strahlungsimpulse im Radiofrequenzbereich aus. Und wenn solche Sterne auch noch Teil eines Doppelsystems sind, verfügen sie über sehr stabile Bahnparameter und pulsieren überaus regelmäßig. Sie eignen sich deshalb besonders gut für die Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Da PSR J0437-4715 - so die offizielle Bezeichnung des Pulsars - der Erde so nahe steht, konnten Willem van Straten von der australischen Swinburne University of Technology und seine Kollegen die Abstrahlung der Radiowellen aus verschiedenen Winkeln auswerten. Die Forscher konnten so die dreidimensionale Relativbewegung beider Körper berechnen, woraus sich deren gemeinsamer Schwerpunkt und daraus wiederum die Massen von Pulsar und Weißem Zwerg ergaben.

Nun konnten sich die Forscher mit den abgestrahlten Radiowellenmustern beschäftigen. Und die veränderten sich je nachdem, wie das Doppelsystem zur Erde orientiert war. Würde man senkrecht auf die Rotationsebene beider Sterne schauen, so müsste der gravitative Einfluss des Weißen Zwergs auf die Radiostrahlung viel geringer auswirken, als wenn man die Ebene von der Seite betrachtete, also nur die Kante sähe. Dann müssen die Radiosignale durch den verzerrten Raum wandern, werden dabei langsamer und benötigen also länger, bis sie auf der Erde ankommen. Genau das ist der Shapiro-Effekt.

Und noch etwas: Während sich ein Doppelsystem naturgemäß verlangsamt, muss es Energie in Form von Gravitationswellen abstrahlen - so sagt es jedenfalls die Relativitätstheorie. Doch der Nachweis dieser geheimnisvollen Wellen ist bislang nicht gelungen. Immerhin ist das Maß des Shapiro-Effekts von PSR J0437-4715 aber vollkommen konsistent mit dem Energieverlust des Doppelsystems, der mit der Aussendung von Gravitationswellen einhergehen müsste.

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