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PULSARE
Extremer Pulsar bestätigt Einstein
Redaktion / idw / Pressemitteilungen der Universität Bonn und des MPIfR
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26. April 2013

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie hat einen weiteren Test bestanden: Dies ist das Ergebnis von Beobachtungen des äußerst massereichen Pulsars PSR J0348+0432 und seines Begleiters durch ein internationales Forscherteam. Das System, so die Vorhersage, sollte durch Abstrahlung von Gravitationswellen kontinuierlich Energie verlieren. Genau dies wurde nun gemessen.

PSR J0348+0432
 
Das System aus Pulsar und Weißem Zwerg erzeugt Gravitationswellen. Die Größe beider Objekte auf diesem Bild ist nicht maßstabsgetreu. Bild: ESO / L. Calçada

Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne. Ihre Strahlung geben sie - ähnlich wie ein Leuchtturm - in begrenzten Lichtkegeln ab, die auch die Erde regelmäßig überstreichen können. So scheint ein Pulsar regelmäßige Strahlungspulse auszusenden. Ein internationales Team von Astronomen hat nun einen besonders extremen Pulsar mithilfe verschiedener Teleskope näher untersucht und dabei einige bemerkenswerte Entdeckungen gemacht.

PSR J0348+0432 ist ein Pulsar, der erst vor wenigen Jahren in einem Doppelsternsystem mit einem Weißen Zwerg entdeckt wurde. Die Umlaufdauer des Pulsars beträgt 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.

"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 Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und Erstautor eines Fachartikels, der heute in der Zeitschrift Science erscheint. "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, um ihre Theorien zu testen.

"Für diesen Pulsar mussten wir unsere Sternentwicklungsmodelle bis an die Grenze strapazieren", sagt etwa Thomas Tauris von der Arbeitsgruppe "Stellarphysik" am Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, der die Entwicklung solcher Doppelsternsysteme erforscht. Die Ergebnisse ermöglichen nun neue Einblicke in die Evolution von Doppelsternen. Die einzigartige Kombination von Eigenschaften des Systems stellte die Modelle der Physiker dabei vor besondere Herausforderungen. Zu beachten waren nämlich die kurze Umlaufperiode, die große Masse, die relativ langsame Eigenrotation und zudem ein starkes Pulsar-Magnetfeld.

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Die Wissenschaftler untersuchten, wie sich das Doppelsternsystem gebildet und weiterentwickelt hat. "Dieses setzt einen Massentransfer voraus, bei dem der Pulsar seinen Kompagnon auffrisst", so Tauris. Am Ende dieser Entwicklung steht dann ein Objekt, wie wir es heute beobachten können: Ein schnell rotierender, massereicher Neutronenstern und ein Weißer Zwerg als Überrest des früheren Begleitsterns.

Der Pulsar und der Weiße Zwerg haben einen Abstand von nur 830.000 Kilometern zueinander, was nur etwas mehr als einem Sonnenradius entspricht. Dank der durch Beobachtungen am Very Large Telescope der ESO ermittelten Massen der Partner, ließ sich der Energieanteil berechnen, der in Form von Gravitationswellen abgestrahlt werden muss, was wiederum zu einer Verkürzung der Umlaufperiode in dem System führen muss.

Diese Änderung der Umlaufperiode aber sollte in den Radiosignalen des Pulsars sichtbar sein. Deswegen hat das Team regelmäßige Beobachtungen an den drei größten Radioteleskopen weltweit durchgeführt. "Unsere Radiobeobachtungen mit den beiden Teleskopen in Effelsberg und Arecibo waren derart präzise, dass wir bereits Ende 2012 eine Änderung von nur acht Mikrosekunden pro Jahr in der Umlaufperiode und damit exakt den von der Relativitätstheorie vorhergesagten Wert nachweisen konnten", sagt Paulo Freire vom MPIfR.

"Das aufregendste Ergebnis für uns war, dass die Allgemeine Relativitätstheorie sich auch in einem so extremen Umfeld noch vollständig bewährt", sagt Norbert Wex, theoretischer Astrophysiker in der Forschungsabteilung "Radioastronomische Fundamentalphysik" am MPIfR. "Unsere Ergebnisse zu PSR J0348+0432 geben uns zusätzliches Vertrauen in die Gleichungen für die komplette Spannweite der Massen von Neutronensternen, wie wir sie in der Natur beobachten",  ergänzt Michael Kramer, Direktor am MPIfR. "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."

Durch die Abstrahlung von Gravitationswellen verliert das System kontinuierlich an Orbitalenergie, wodurch die zwei Sterne einander immer näher kommen - etwa 1,4 Millimeter pro Tag. "Wir haben berechnet, dass die beiden Sterne in 400 Millionen Jahren miteinander verschmelzen", so Tauris. Dadurch wird der Pulsar noch mehr Materie von seinem Begleiter aufsaugen, und möglicherweise zu einem Schwarzen Loch kollabieren.

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siehe auch
Einstein@Home: Pulsarfund als Test für Relativitätstheorie? - 7. April 2011
Relativitätstheorie: Doppelter Pulsar bestätigt Einstein - 4. Juli 2008
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn
ESO
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