Einstein gewinnt erneut: Schwarzes Loch, Pulsar bestätigen Relativitätstheorien

Einerseits schon längst keine Überraschung und beruhigend, andererseits frustrierend, weil die theoretische Physik nicht herausgefordert wird – aber allemal dramatische Demonstrationen moderner astronomischer Messtechnik: Diesen Monat sind zwei Forschungsarbeiten erschienen, die die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) mit enormer Präzision bestätigen konnten. Zum einen an einem Stern, der dicht am Milchstraßenzentrum vorbei gesaust ist, zum anderen an einem Dreifachsystem mit einem rotierenden Neutronenstern, einem Pulsar.

Testobjekt im ersten Fall war der Stern „S2“, der auf einer elliptischen Bahn (Grafiken unten) alle 16 Jahre um Sgr A* („Sätsch Äi Star“) herum saust, das Zentralobjekt der Milchstraße und nach allgemeiner Auffassung ein supermassereiches Schwarzes Loch mit gut 4 Millionen Sonnenmassen ist, auf jeden Fall ein extrem kompaktes Objekt. Diesen Juni war mal wieder Peribothron, wie der einem Schwarzen Loch nächste Bahnpunkt heute genannt wird: Die Raumgeschwindigkeit von S2 wuchs bis auf 7650 km/s oder 1/39 der Lichtgeschwindigkeit. Damit und durch die Nähe zu Sgr A* sollten sich Abweichungen von der rein Newtonschen Physik einstellen, messbar insbesondere mit dem neuen ESO-Instrument GRAVITY am VLT-Interferometer der ESO, das enorm genaue Abstandsmessungen zwischen S2 und Sgr A* ermöglicht und den Stern jeden Tag weiter wandern sah. Die relativistischen Effekte lassen sich alle in einem einzigen Faktor f bündeln: Ist er Null, hatte Newton Recht, ist er Eins Einstein mit seiner umfassenderen Theorie der Gravitation. Heute wird eine erste Auswertung des S2-Peribothrons vorgelegt: f = 0,9±0,2, wobei im angegebenen Fehlerbereich außer Statistik auch systematische Restprobleme aller Art enthalten sind – die ART steht mithin auch nach über 100 Jahren unangefochten da.

Was zum einen per Bahnvermessung v.a. mit GRAVITY und zum anderen durch Bestimmungen der Radialgeschwindigkeit von S2 mit Spektrographen am VLT und einem Keck-Teleskop auf Hawaii so genau nachgewiesen werden konnte, war die gemeinsame Wirkung zweier relativistischer Effekte: der gravitativen Rotverschiebung in einem starken Schwerefeld aus der Allgemeinen und dem transversalen Dopplereffekt aus der Speziellen Relativitätstheorie. Mit weiteren GRAVITY-Messungen sollte sich als weiterer Effekt der ART am Ende auch noch die Periastrondrehung (Schwarzschild-Präzession) der Bahnellipse von S2 nachweisen lassen. Unterdessen ist mit einem hierarchischen Dreifach-System aus einem Pulsar und einem Weißen Zwerg, die als enges Paar um einen fernen Weißen Zwerg kreisen, das Starke Äquivalenzprinzip der ART besser denn je bestätigt worden. Danach erfahren alle frei fallenden Objekte in einem Gravitationsfeld dieselbe Beschleunigung, egal wie massereich sie selber sind oder woraus sie bestehen – in fast allen Alternativ-Vorschlägen zur ART wäre das nicht der Fall. Da der besonders rasante (Millisekunden-)Pulsar als extrem genaue Uhr funktioniert, lässt sich die Dynamik in diesem System radioastronomisch exakt verfolgen: Dieser Neutronenstern wie die Weißen Zwerge erfahren Beschleunigungen, die sich um weniger als 1/385000 unterscheiden – eine 1000-mal bessere Obergrenze als zuvor im Weltraum oder Labor zu ermitteln war.

LINKS:
Originalarbeit zu S2 und Sgr A*: https://arxiv.org/abs/1807.09409
PM der MPG dazu: https://www.mpg.de/12141873/milchstrasse-einstein-test
ESO Release dazu: https://www.eso.org/public/news/eso1825
Originalarbeit zum Dreifachsystem: https://arxiv.org/abs/1807.02059
ASTRON Release dazu: https://www.astron.nl/einstein%E2%80%99s-theory-still-passes-test