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Relativitätstheorie: Weißer Zwerg verwirbelt Raumzeit

Gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ziehen rotierende Massen andere Körper mit. Radioastronomen haben diesen Effekt nun in einem besonderen Sternsystem nachgewiesen.
Weißer Zwerg kreist um RadiopulsarLaden...

In der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein, die sämtliche Phänomene der Gravitation exzellent beschreibt, gibt es einen merkwürdigen Effekt: Rotierende Massen ziehen Objekte in ihrer nächsten Umgebung in Drehrichtung mit sich. Dieser schwierig zu messende Lense-Thirring-Effekt wurde bereits experimentell nachgewiesen, nämlich bei Satelliten, die von der Erde mitgezogen werden. Nun ist es Astronomen um Vivek Venkatraman Krishnan vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn gelungen, das Mitschleppen auch in einem engen Doppelsternsystem zu beobachten. Die Bahnebene des Radiopulsars PSR J1141-6545 taumelt durch den Einfluss eines nahen, sich schnell drehenden Weißen Zwergs, wie Forscher anhand von über mehrere Jahre gesammelten Beobachtungsdaten herausgefunden haben.

Der Zug der rotierenden Raumzeit

Laut Relativitätstheorie krümmen Massen das Raumzeit-Kontinuum. Körper fallen im Schwerefeld der Erde, weil sie der verbeulten Raumzeit folgen. Doch Einsteins Physik bietet noch ein weiteres verblüffendes Phänomen: Rotierende Massen ziehen andere Körper mit sich und versetzen sie ebenfalls in Rotation. Dieses Raumzeit-Karussell wird umso stärker, je näher ein Objekt an die sich drehende Masse herankommt. Die beiden österreichischen Physiker Joseph Lense und Hans Thirring hatten das Phänomen bereits im Jahr 1918 auf der Grundlage von Einsteins Theorie vorhergesagt – doch erst im Jahr 2004 gelang der experimentelle Nachweis des Effekts bei Satelliten im Orbit der sich drehenden Erde.

Schnell rotierende Sternüberreste sind ideal

Bei kompakten und sich rasch drehenden Massen ist der Lense-Thirring-Effekt viel stärker ausgeprägt und damit leichter zu messen. Das nun beobachtete Duo aus Neutronenstern und Weißem Zwerg entpuppte sich als ideales Testobjekt, nicht nur wegen der großen Massen der Objekte. Auch ist der Weiße Zwerg älter als der Neutronenstern; von derartigen Systemen sind bislang nur zwei bekannt.

Das ist wichtig, da der ursprünglich masseärmere Partnerstern Materie von seinem schwereren Partner aufsammelt. Nur so konnte er mehr Masse gewinnen, um in einer Supernova zu explodieren und einen Neutronenstern zurückzulassen. Dieser wiederum konnte seine Rotation allerdings nicht mehr durch weiteren Massentransfer erhöhen, weil der Partner ja schon ein Zwergstern war. Damit weist das System eine entscheidende Besonderheit auf: Die Rotationsachse des Pulsars ist zufällig orientiert und steht nicht, wie sonst üblich, senkrecht zur Bahnebene des Doppelsystems. Das ist eine gute Voraussetzung für einen ausgeprägten Lense-Thirring-Effekt, den der Zwergstern in diesem Fall auf den Pulsar ausüben müsste.

Die Pulsaruhr

Für den Nachweis dieser Prognose mussten die Forscher Radiowellen auffangen. Der Neutronenstern, ein so genannter Radiopulsar, gibt sie stoßweise ab, in periodischen Abständen. Pulsare sind extrem kompakt: Ungefähr ein bis zwei Sonnenmassen vereinigen sich in einer Kugel von nur etwa 20 Kilometer Größe. Die Radiowellen entstehen dabei nahe der Oberfläche durch das Zusammenspiel von Magnetfeldern, die Strahlung wird dabei relativ scharf gebündelt ins All geschossen.

Manchmal trifft einer dieser Strahlungskegel die Erde. Weil sich der Neutronenstern schnell dreht, beobachten Astronomen die Radiowellen als Blinken wie bei einem Leuchtturm. Da die Rotation sehr gleichförmig und stabil ist, ist ein Radiopulsar ein extrem genauer Taktgeber, der mit der Exaktheit von Atomuhren konkurrieren kann.

Pulsar 20 Jahre im Auge behalten

So ist es auch beim Radiopulsar PSR J1141-6545. Seine »Pulsaruhr« haben sich die Radioastronomen um Venkatraman Krishnan zu Nutze gemacht, um die sehr subtilen relativistischen Effekte zu messen. Die Radioastronomen beobachteten PSR J1141-6545 seit dem Jahr 2000 mit der 64-Meter-Parkes-Radioschüssel und dem UTMOST-Radioteleskop, die sich beide in Australien befinden. Den Daten zufolge umkreist der Radiopulsar den Weißen Zwerg in 4,7 Stunden auf einer sehr exzentrischen Bahn.

Die Forscher machten sich letztlich daran, das System immer genauer zu verstehen und unbekannte Größen mit statistischen Methoden einzugrenzen. Unter anderem bestimmten sie die Masse des Pulsars zu 1,3 Sonnenmassen und die des Zwergsterns zu 1,02 Sonnenmassen. Eine entscheidende Messgröße dabei ist die Ankunftszeit der Pulse des Neutronensterns. Sie werden durch eine ganze Reihe von geometrischen und physikalischen Effekten beeinflusst. Daraus gelang es den Forschern, die Bahnneigung des Pulsars zu bestimmen, die sich im Lauf der Zeit verändert.

Dafür machen sie eine Kombination aus nichtrelativistischen Einflüssen und dem Lense-Thirring-Effekt verantwortlich. Der Pulsar taumelt wie ein Kreisel, weil seine Drehachse durch die Anwesenheit des Weißen Zwergs verkippt wird. Dieser Vorgang geschieht wie im Erde-Mond-System, wo die Schwerefelder von Mond und Sonne ein Taumeln der Erdachse bewirken: die Präzession. Hinzu kommt der relativistische Lense-Thirring-Präzession, da die rotierende Raumzeit die Bahnebene zusätzlich verkippt. Normalerweise drehen sich Weiße Zwerge in einigen Stunden bis Tagen um sich selbst. Wegen der besonderen Eigenschaften des kompakten Doppelsternsystems konnte die Rotationsperiode des Weißen Zwergs zu nur rund 400 Sekunden bestimmt werden: Der Zwergstern rotiert in nicht einmal sieben Minuten.

06/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 06/2020

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