Physik: Forscher untersuchen Einsteins Relativitätstheorie – neue Effekte entdeckt

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ist bereits mehr als 100 Jahre alt – eine 16 Jahre lang dauernde Untersuchung sich "extremer verhaltender" Sterne hat nun jedoch gezeigt, dass sie immer noch die tauglichste Beschreibung der Gravitation ist.

Ein internationales Forscherteam, zu dem Wissenschaftler der University of East Anglia (UEA) und der University of Manchester in Großbritannien gehörten, untersuchte ein so genanntes Pulsarpaar mit sieben Radioteleskopen. Pulsare sind besonders dichte und kompakte rotierende Sterne. Mit der Untersuchung wollten die Forscher herausfinden, ob es Verhaltensweisen gibt, die von Einsteins theoretischer Leistung möglicherweise nicht abgedeckt sind.

Während sie dabei relativistische Effekte entdeckten, die noch nie zuvor beobachtet wurden, sind exakt diese Phänomene bereits in der 1915 veröffentlichten Theorieschrift Einsteins – auch bekannt als Geometrische Theorie der Gravitation – vermutet und skizziert worden.

"So spektakulär erfolgreich Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sich auch erwiesen hat, wir wissen, dass dies nicht das letzte Wort in der Gravitationstheorie ist", sagte Robert Ferdman, Professor an der UEA School of Physics zu den Gründen des Forschungsvorhabens. "Über 100 Jahre später setzen Wissenschaftler auf der ganzen Welt ihre Bemühungen fort, Fehler in seiner Theorie zu finden.", zitiert ihn Magazin "Newsweek", dass zuerst über den Abschluss der Forschungsarbeit berichtet hatte.

Das Team entschied sich, mit Pulsaren nach diesen Fehlern zu suchen. Laut Ferdman, der Hauptautor eines Artikels, der die in der Zeitschrift "Physical Review X" veröffentlichte Studie beschreibt, ist ein Pulsar ein hochmagnetisierter rotierender kompakter Stern, der elektromagnetische Strahlen aus seinen magnetischen Polen emittiert.

"Sie wiegen mehr als unsere Sonne, sind aber nur etwa 24 Kilometer breit, also sind sie unglaublich dichte Objekte, die Funkstrahlen erzeugen, die wie ein Leuchtturm über den Himmel fegen", fuhr Ferdman im Gespräch mit "Newsweek" fort.

Die Forscher entschieden sich für die Beobachtung eines Doppelpulsars, der 2003 von Mitgliedern des Teams entdeckt wurde und dessen Beobachtung darstellt, was Ferdman als "das genaueste Labor, das wir derzeit haben, um Einsteins Theorie zu testen" bezeichnet.

Der vom Team beobachtete Doppelpulsar besteht aus zwei Pulsaren, die sich in nur 147 Minuten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 580.000 km/h umkreisen.

Es seien die Bewegungen der Pulsare umeinander und ihre unglaublich starken Gravitationsfelder, die ein nahezu perfektes Gravitationslabor bieten.

Die Allgemeine Relativitätstheorie legt nahe, dass die Masse eines Objekts das Gewebe der Raumzeit verzerrt und größere Massen die Krümmung stärker beeinflussen. Eine gängige Analogie, die Physiker verwenden, um dies zu beschreiben, ist das Platzieren einer Murmel und einer Bowlingkugel auf einem Trampolin.

Die Bowlingkugel verursacht die größere Delle, und wenn die Murmel daran vorbeirollt, ist der Weg, den sie nimmt, gekrümmt, um dieser Delle zu folgen.

Licht tut dasselbe, wenn es ein massives kosmisches Objekt wie ein Schwarzes Loch oder diese Pulsare passiert.

Ingrid Stairs, Professorin an der University of British Columbia in Vancouver, erklärte, was die Beobachtung des vom Pulsar emittierten Lichts ihr und ihren Kollegen zeigte. Sie sagte: "Wir sehen zum ersten Mal, wie das Licht nicht nur durch eine starke Krümmung der Raumzeit um den Begleiter verzögert wird, sondern auch, dass das Licht um einen kleinen Winkel von 0,04 Grad abgelenkt wird, den wir erkennen können."

Darüber hinaus konnte das Wissenschaftlerteam eine Reihe weiterer Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie testen, darunter den Effekt der Zeitdilatation – die Dehnung der Zeit durch enorme Gravitationsfelder – und beispielsweise auch die Änderung der Orientierung der Umlaufbahn.

"Noch nie wurde ein solches Experiment bei einer so hohen Raumzeitkrümmung durchgeführt", fügte Stairs im Gespräch mit "Newsweek" hinzu.

Physiker suchen weiterhin nach physikalischen Eigenschaften des Universums, die nicht durch die Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben werden, denn obwohl die Theorie bei der Beschreibung der Gravitation und der Physik wirklich massereicher Körper im Weltraum erfolgreich war, kann sie nicht vollends mit der Quantenphysik zusammengebracht werden.

Dies bedeutet, dass die Gravitation, eine der vier Grundkräfte des Universums, sich von den anderen drei – Elektromagnetismus und den starken und schwachen Kernkräften – unterscheidet, die alle in der Quantenphysik vereint sind.

"Es ist daher wichtig, die allgemeine Relativitätstheorie weiterhin so streng wie möglich zu testen, um herauszufinden, wie und wann die Theorie zusammenbricht", so Ferdman laut "Newsweek".

"Jede Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie wäre eine wichtige Entdeckung, die ein Fenster zu neuer Physik jenseits unseres derzeitigen theoretischen Verständnisses des Universums öffnen würde."

Ferdman weist darauf hin, dass dies schließlich zu einer "einheitlichen Theorie" der Physik führen könnte, die eine vollständige Beschreibung der Kräfte des Universums bietet und nach welcher Physiker wie Stephen Hawking ein Leben lang gesucht haben.

Quellen:  "Physical Review X", "Newsweek"