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GRAVITATION
Wie die Sonne den Raum krümmt
von Stefan Deiters
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10. September 2009

Wissenschaftler haben mit Hilfe eines über den gesamten amerikanischen Kontinent verteilten Netzwerks aus Radioteleskopen die Krümmung des Raums durch die Masse der Sonne mit großer Genauigkeit bestimmt. Von weiteren ähnlichen Messungen  erhoffen sie sich auch neue Hinweise auf das Verhältnis der allgemeinen Relativitätstheorie zur Quantenphysik.

Sonne / Erde

Licht- und Radiowellen werden von der Krümmung des Raums in der Nähe der Sonne abgelenkt. Bild: NASA / JPL

"Die Messung der Raumkrümmung ist eine der besten Möglichkeiten etwas über die allgemeine Relativitätstheorie von Einstein und ihre Verbindung zur Quantenphysik zu lernen", erläutert Sergei Kopeikin von der University of Missouri die Bedeutung der Messungen. Nach Einstein lässt sich Gravitation als Krümmung der Raumzeit beschreiben, die von der Masse eines Objektes verursacht wird. "Die Vereinigung von Gravitationstheorie und Quantentheorie ist eine der wichtigsten Aufgaben der Physik des 21. Jahrhunderts und diese astronomischen Messungen sind ein Schlüssel, um das Verhältnis der beiden besser zu verstehen."

Zusammen mit seinen Kollegen hat Kopeikin das Very Long Baseline Array (VLBA), ein Verbund von mehreren Radioteleskopen, die über ganz Nordamerika verteilt sind, verwendet, um die Lichtablenkung durch die Anziehungskraft der Sonne mit einem Fehler von nur 0,03 Prozent zu messen. Die Wissenschaftler glauben, dass sie mit ihrer Technik die bislang genauesten Messungen dieses Wertes liefern können.

Dass das Licht von Sternen durch Gravitation beeinflusst wird, hatte schon Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie 1916 vorausgesagt. Danach sorgt die Masse eines Objektes für eine Krümmung des Raums in seiner unmittelbaren Umgebung, wodurch Licht- oder Radiowellen, die in der Nähe des Objekte entlanglaufen, abgelenkt werden. Zuerst beobachtet wurde dieses Phänomen bei einer Sonnenfinsternis im Jahr 1919, was damals als erste Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie gewertet wurde.

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Doch auch 90 Jahre danach haben Wissenschaftler auf eines noch keine Antwort gefunden: Wie lässt sich die allgemeine Relativitätstheorie, die auf großen Skalen so ausgezeichnet zu funktionieren scheint, mit der Quantentheorie vereinen, die die Welt der kleinsten Partikel beschreibt? Die Wissenschaftler hoffen, etwa durch eine immer genauere Messung der Lichtablenkung oder der Raumkrümmung neue Hinweise darauf zu finden. Entscheidend dabei ist ein Parameter, den die Forscher mit dem griechischen Buchstaben "Gamma" bezeichnen. Nach Einstein sollte dieses Gamma genau 1,0 sein.

"Selbst wenn der Wert nur um einen Millionstel Bruchteil von 1,0 abweichen würde, hätte das für die Vereinigung von Gravitationstheorie und Quantentheorie große Bedeutung und damit auch für die Vorhersage von Phänomenen in Regionen mit extrem hoher Gravitationskraft wie etwa in der Nähe von Schwarzen Löchern", so Kopeikin.

Mit dem VLBA lässt sich die Position von Objekten am Himmel äußerst genau bestimmen und das Team nutzte diese Fähigkeiten, um vier entfernte Quasare zu beobachten, an denen die Sonne im Oktober 2005 am Himmel vorüberzog. Durch ihre Anziehungskraft sorgte die Sonne dafür, dass sich die scheinbare Position der Quasare leicht veränderte. Bei Quasaren handelt es sich um die hellen Kerne von weit entfernten Galaxien. Aus diesen Beobachtungen ermittelten die Forscher einen Wert für Gamma von 0,9998 +/- 0,0003, was gut mit Einsteins Vorhersage von 1,0 übereinstimmt.

"Mit weiteren Beobachtungen wie diesen und mit Hilfe von ergänzenden Messungen etwa von der Saturnsonde Cassini können wir den Wert für Gamma in der Genauigkeit noch um mindestens einen Faktor vier verbessern, was dann der genaueste Wert für Gamma wäre, der je bestimmt wurde", so Edward Fomalont vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO). "Da dieses Gamma ein so fundamentaler Wert der Gravitationstheorie ist, ist es von großer Bedeutung, den Parameter mit verschiedenen Techniken zu bestimmen, damit man so einen Wert erhält, der von allen Physikern akzeptiert wird."

Über ihre Messungen berichteten das Team im Juli in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal.

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siehe auch
Gravity Probe B: Sonde misst Raumkrümmung durch Erde - 18. April 2007
Gravity Probe B: Einstein auf dem Prüfstand - 8. April 2004
Cassini: Relativitätstheorie erneut auf der Probe - 14. Oktober 2003
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