26. April 2013

Kosmisches Schwergewicht gibt Einstein Recht Kosmisches Schwergewicht gibt Einstein Recht

Internationales Forscherteam unter Beteiligung der Uni Bonn erprobt an einem Pulsar die Relativitätstheorie

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) und der Universität Bonn haben mit einem internationalen Team am extrem schweren Pulsar „PSR J0348+0432“ und seinem Begleiter mit Erfolg die Gültigkeit der Einstein’schen Theorie erprobt. Durch die Abstrahlung von Gravitationswellen verliert das System kontinuierlich an Orbitalenergie. Die Forscher berechneten, dass das Duo in 400 Millionen Jahren miteinander verschmelzen und der Pulsar möglicherweise in einem Schwarzen Loch kollabieren wird. Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe des renommierten Journals „Science“ veröffentlicht.

Künstlerische Darstellung
Künstlerische Darstellung - des Pulsars PSR J0348+0432 (rechts) und links der Weiße Zwerg als Begleitstern. Der Pulsar ist sehr kompakt und führt zu einer starken Deformation der Raumzeit, verdeutlicht durch das Gitter. © Grafik: ESO/L. Calçada

Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die wie ein Leuchtturm regelmäßig Radiosignalpulse aussenden. Einen besonders extremen Vertreter dieser Himmelsobjekte und seinen Begleiter haben nun Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) Bonn und des Argelander-Instituts für Astronomie der Universität Bonn mit einem internationalen Team und einem ganzen Arsenal von Teleskopen genauer untersucht. „PSR J0348+0432“ ist ein Pulsar, der erst vor wenigen Jahren in einem Doppelsternsystem mit einem Weißen Zwerg entdeckt wurde. Der Pulsar vollführt seine Umlaufbahn rasend schnell in nur 2,5 Stunden. Die Gravitation auf seiner Oberfläche ist mehr als 300 Milliarden Mal stärker als auf der Erde. Im Zentrum des Pulsars findet man mehr als eine Milliarde Tonnen Materie auf das Volumen eines Zuckerwürfels zusammengepresst.

Der schwerste bekannte Pulsar

„Schon bei einer ersten schnellen Analyse der Daten war mir klar, dass wir uns einen ganz schönen Brocken eingefangen hatten“, sagt John Antoniadis, Doktorand am MPIfR und Erstautor der Veröffentlichung. „Mit der doppelten Masse der Sonne ist das der schwerste bis jetzt bekannte Pulsar.“ Für die Astronomen sind die extremen physikalischen Bedingungen von „PSR J0348+0432“ ein ideales Laboratorium - sie lassen sich unmöglich auf der Erde nachbilden. „Für diesen Pulsar mussten wir unsere Sternentwicklungsmodelle bis an die Grenze strapazieren“, sagt Dr. Thomas Tauris von der Arbeitsgruppe „Stellarphysik“ am Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, der die Entwicklung solcher Doppelsternsysteme erforscht.

Der Pulsar hat seinen Kompagnon aufgefressen

Die Ergebnisse ermöglichen neue Einblicke in die Evolution von Doppelsternsystemen. Für das Forscherteam um Prof. Dr. Norbert Langer und Dr. Tauris vom Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn war es eine interessante Herausforderung, die einzigartige Kombination von Eigenschaften des Systems in den Modellen abzubilden: kurze Umlaufperiode, große Masse, relativ langsame Eigenrotation und starkes Pulsar-Magnetfeld. Die Wissenschaftler entwickelten Modelle, wie sich das Doppelsternsystem gebildet und weiterentwickelt hat. „Dieses setzt einen Massentransfer voraus, bei dem der Pulsar seinen Kompagnon auffrisst“, berichtet Dr. Tauris. Das Ergebnis dieses kosmischen „Recyclings“ ist ein schnell rotierender, massiver Neutronenstern und ein Weißer Zwerg als Überbleibsel des früheren Begleitsterns.

Einsteins Theorie hat auch diesen Test bestanden

Der Pulsar und der weiße Zwerg befinden sich in einer Distanz von nur 830.000 Kilometer zueinander – das ist nur etwas mehr als ein Sonnenradius. Dadurch strahlt das System Gravitationswellen ab, die zu einer weiteren Verringerung des Abstands von etwa 1,4 Millimeter pro Tag führen - exakt wie es von der Einstein’schen Relativitätstheorie vorhergesagt wird. „Wenn man den großen Aufwand berücksichtigt, der in die Ableitung der Gleichungen gesteckt worden ist, dann ist es eine sehr gute Nachricht für unsere Kollegen aus der Gravitationswellen-Astronomie, dass Einsteins Theorie auch diesen Test bestanden hat“, sagt MPIfR-Direktor Prof. Dr. Michael Kramer.

Der Pulsar und sein Begleiter verschmelzen in 400 Millionen Jahren

Durch die Abstrahlung von Gravitationswellen verliert das System kontinuierlich an Orbitalenergie, wodurch sich die zwei Sterne einander immer näher kommen. „Wir haben berechnet, dass die beiden Sterne in 400 Millionen Jahren miteinander verschmelzen“, erläutert Dr. Tauris. Dadurch wird der Pulsar noch mehr Materie von seinem Begleiter aufsaugen, und der Pulsar wird möglicherweise in einem Schwarzen Loch kollabieren.

Publikation: A massive pulsar in a compact relativistic binary, Science, DOI: 10.1126/science.1233232

Animation: http://www.eso.org/public/videos/eso1319a/

Kontakt:

Dr. Thomas Tauris
Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn
und Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn
Tel. 0228/733660
tauris@astro.uni-bonn.de

Die Radioteleskope und optischen Teleskope,
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