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News: Experimenteller Nachweis der Raum-Zeit-Verzerrung

Nach der allgemeinen Relativitätstheorie verformen sehr große rotierende Massen die Raumzeit um sich herum. Dieser Lense-Thirring-Effekt konnte mit Hilfe des Satelliten Rossi, der Röntgenstrahlung detektiert, für Neutronensterne und schwarze Löcher nachgewiesen werden.
Für gläubige Startrek-Fans gab es noch nie den Hauch eines Zweifels: Die Raumzeit wird in der Nähe bestimmter galaktischer Objekte verzerrt. Die Wissenschaftlergemeinde war dagegen bisher zurückhaltender. Doch jetzt ist zwei Arbeitsgruppen der experimentelle Nachweis des Lense-Thirring-Effekts gelungen.

Das Phänomen wurde bereits im Jahre 1918 vorhergesagt – es stellt eine Konsequenz aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie dar. Diese postuliert, daß durch jeden rotierenden Körper eine Raumzeit-Verkrümmung hervorgerufen wird, sogar von der Erde. Aber da die Erde nicht sehr schwer ist und auch nicht sehr schnell rotiert, ist der erwartete Effekt sehr klein. Außerdem wird er von einer Vielzahl anderer Phänomene überlagert, so daß diesbezügliche Messungen extrem schwierig sind. Möglicherweise könnte der Satellit LAGEOS III Ergebnisse liefern.

Doch so lange wollten italienische Forscher nicht warten und schlugen vor kurzem vor, daß der Effekt in der Nähe rotierender Neutronensterne auftreten könnte. Ein Team vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) verfolgte eine ähnliche Idee und untersuchte mehrere schwarze Löcher, deren Rotation sie kürzlich nachgewiesen hatten. Beide Forscherteams bedienten sich dazu des Rossi X-ray Timing Explorers (RXTE), eines Satelliten, der zu Ehren des MIT-Professors Bruno B. Rossi, einem Pionier auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen-Astronomie, benannt wurde. Auf der Tagung der High Energy Division der American Astronomical Society am 6.11.97 stellten sie ihre Ergebnisse der Öffentlichkeit vor.

Quirlige Neutronensterne

Die vom RXTE gelieferten Daten stammen von fünfzehn Neutronensternen, die mit ungefähr 300 Umdrehungen pro Sekunde rotieren. Sie werden von Materieansammlungen umkreist, die sie circa 1000 Mal pro Sekunde umlaufen. Daraus folgt, daß diese Materie sich mit der phantastischen Geschwindigkeit von 100.000 km/s bewegt, was einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Zwei italienische Wissenschaftler bemerkten als erste, daß die Röntgenstrahlenemissionen mehrerer dieser Neutronensterne charakteristische Intensitätsschwankungen aufweisen, die genau so aussehen, als würden die Sterne Raum und Zeit durch bei ihrer Rotation mit sich reißen. Luigi Stella vom Astronomischen Observatorium in Rom und Mario Vietri von der 3. Universität von Rom erkannten in den niedrigen Umlaufbahnen der Materie um die Neutronensterne die einzigartige Möglichkeit, die Lense-Thirring-Präzession nachzuweisen. Als Präzession wird die Bewegung der Drehachse eines Körpers um eine gedachte Achse, die fest im Raum steht, bezeichnet. Ein bekanntes Beispiel ist der torkelnde Spielzeugkreisel, der von der Erdanziehungskraft zum Schlingern gebracht wird. Die Lense-Thirring-Präzession zeigt an, wie sich die Gravitationskräfte der Neutronensterne ändern, wenn sie anfangen zu rotieren. Nach der Theorie sollte sie sich alle zehn bis dreißig Sekunden wiederholen.

Dementsprechend suchten die Forscher im Bereich der vorhergesagten Werte nach regelmäßigen Mustern in der Intensität der Röntgenstrahlung. „Wir waren sehr aufgeregt, als wir sahen, daß drei der Neutronensterne ein zusätzliches Signal zeigten, das gut innerhalb des vorhergesagten Bereichs der Lense-Thirring-Präzession lag”, sagt Luigi Stella. „In einem Fall ändert dieses Signal seine Frequenz so wie die umkreisende Materie ihre Umlauffrequenz ändert. Und zwar genau so, wie es vom Lense-Thirring-Effekt vorhergesagt wird.” Um keine Fehlinterpretation der Messungen zu riskieren, müssen alle Phänomene, die eine Lense-Thirring-Präzession überlagern oder sogar vortäuschen könnten, besonders aufmerksam überprüft werden. Aber „die Präzession, die von anderen Effekten erwartet wird, ist deutlich langsamer als die Lense-Thirring-Präzession solcher schnell rotierender Neutronensterne”, meint Mario Vietri. Dennoch sind noch nicht alle Zweifel ausgeräumt: „Da die Materie Neutronensterne auf verschiedenen Umlaufbahnen umkreisen kann, sind verschiedene Rotationsgeschwindigkeiten und damit auch Präzessionsfrequenzen möglich. Wir können nicht ganz sicher sein, daß die von uns beobachtete Modulation auf den Lense-Thirring-Effekt zurückzuführen ist. Offensichtlich sind genauere Untersuchungen und Modelle erforderlich." Dennoch: Der Nachweis einer der grundlegendsten Voraussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie war durch die Messungen greifbar nahe.

Schwarze Löcher wirken wie Wirbelstürme

Forscher des MIT und vom NASA Goddard Space Flight Center sorgten dann für den ersten Nachweis, daß rotierende schwarze Löcher Raum und Zeit verzerren, wenn sie Materie spiralförmig in sich hineinziehen – ähnlich wie ein Wirbelsturm Objekte in seinem Weg mitreißt. „Wenn unsere Interpretation richtig ist, kann man das als den Beweis der Existenz von Raumzeit-Verzerrungen in der Nähe von rotierenden schwarzen Löchern ansehen”, sagt Dr. Wei Cui vom MIT Center for Space Research.

Schwarze Löcher sind außergewöhnlich dichte Objekte mit einem so starken Gravitationssog, daß kein Licht aus ihnen entkommen kann. Da schwarze Löcher nicht direkt beobachtet werden können, kann auf ihre Existenz nur aus Beobachtungen des Verhaltens von begleitenden Sternen geschlossen werden. Die gewaltige Anziehungskraft zwingt jene, um das schwarze Loch zu rotieren. Dabei entreißt es dem Stern Materie, die es in die Umlaufbahn einer ringförmigen Scheibe aus Gas zieht, welche sich um das schwarze Loch herum bewegt. Wenn die Materie in der Scheibe dichter und dichter an das schwarze Loch herankommt, heizt sie sich auf und beginnt, Röntgenstrahlung auszusenden.

Cuis Team nutzte diese Röntgenstrahlenemissionen, um zu bestimmen, ob eine Raumzeitkrümmung stattfand. Durch die Messung von Intensitätsschwankungen der Röntgenstrahlung konnten sie Störungen in der Umlaufbahn der Materie zu sehen. Das bedeutet, daß die Umlaufbahn der Materie sich selbst um die Drehachse des schwarzen Loches dreht. Damit ist der Nachweis der Raumzeitkrümmung in diesem System erbracht, denn auf diese Weise kann Materie nur dann angezogen werden, wenn der Raum und die Zeit, in der sie existiert, ebenfalls angezogen werden.

„Natürlich gibt es noch eine Menge offener Fragen zu den Prozessen der Röntgenstrahlenemission aus schwarzen Löchern. Aber die Beobachtungen in diesem Fall scheinen die Existenz der Raumzeitverzerrung durch rotierende schwarze Löcher anzuzeigen”, sagt Cui.

Das haben Startrek-Fans schon seit Jahren gewußt!

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