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MEERKAT
Doppelpulsare und die Relativitätstheorie
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
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10. Mai 2021

Ein internationales Team von Forschenden verwendet das südafrikanische MeerKAT-Radioteleskop zur Überprüfung der Theorien von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Jetzt wurden die ersten Ergebnisse vorstellt, die bereits deutlich machen, wie präzise die Messungen sein werden. Als Versuchsobjekt dienen Doppelpulsar-Systeme.

PSR J0737-3039A

Illustration des Systems PSR J0737-3039A: Das Doppelpulsar-System besteht aus zwei Pulsaren (mit Rotationsperioden von 23 ms und 2,8 s), die sich gegenseitig umkreisen. Der Doppelpulsar ist eines der Beobachtungsobjekte, die im Rahmen des RelBin-Programms untersucht werden.  Bild: Michael Kramer/MPIfR  [Großansicht]

Die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein gehört zu den bestuntersuchten Theorien der Physik und stellt die derzeit präziseste Beschreibung der Gravitation dar. Dennoch bleiben Fragen wie die nach der Natur der Dunklen Materie oder der Dunklen Energie unbeantwortet, und mögliche Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie werden nach wie vor untersucht. Hier bietet die Erforschung von Binärpulsaren, also von Sternen extrem hoher Dichte, die sowohl als kosmische Leuchttürme als auch als präzise Uhren fungieren, einzigartige Einblicke, die andere Experimente, etwa mit Gravitationswellendetektoren oder Satellitenmissionen, ergänzen.

Pulsare sind nur etwa 24 km groß und bestehen hauptsächlich aus Neutronen. Mit Massen bis zur etwa zweifachen Sonnenmasse sind sie die extremsten Objekte im beobachtbaren Universum. Durch die Verfolgung ihrer Bewegung um einen möglichen Begleiter, einen anderen Neutronenstern oder einen größeren Weißen Zwerg, den freigelegten Kern eines gewöhnlichen Sterns am Ende seines Lebens, können Radioteleskope wie MeerKAT in Südafrika ihre Position in der jeweiligen Umlaufbahn auf nur etwa 30 Meter genau bestimmen. Dies kann eine Reihe von relativistischen Effekten in der Umlaufbewegung aufdecken, wie die Emission von Gravitationswellen oder die Auswirkungen auf die Ausbreitung von Licht in ihren starken Gravitationsfeldern.

Das MeerKAT-Teleskop ist ein neues Radioteleskop, das vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) gebaut und betrieben wird. Es bietet eine hohe Empfindlichkeit durch die Kombination der Signale von 64 einzelnen 13-Meter-Antennen. Im Rahmen des Durchmusterungsvorhabens MeerTime, das von Prof. Matthew Bailes von der Swinburne-Universität in Australien geleitet wird, war das Projekt "Relativistic and Binary Pulsars" (RelBin) unter der Leitung von Prof. Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, und Prof. Ingrid Stairs von der University of British Columbia in Kanada, das am besten bewertete Wissenschaftsprogramm, das für MeerKAT vorgeschlagen wurde.

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Das internationale RelBin-Team mit Kollegen aus Afrika, Australien, Europa und Nordamerika präsentierte nun die ersten Ergebnisse aus diesem Programm. RelBin konzentriert sich in erster Linie auf die Beobachtung von relativistischen Effekten in Pulsar-Binärsystemen, um Präzisionsmessungen der Massen von Neutronensternen und Tests von Gravitationstheorien zu ermöglichen. Auch wenn detaillierte Ergebnisse erst nach vielen weiteren Monaten der Beobachtung zu erwarten sind, kann das Team bereits jetzt zeigen, dass die Beobachtungen mit MeerKAT die vorhandenen Daten von anderen Teleskopen typischerweise um einen Faktor 2 bis 3, manchmal sogar um eine ganze Größenordnung, verbessern.

Michael Kramer ist begeistert: "Die Leistung von MeerKAT ist besser als wir erwartet haben! Wir können jetzt Experimente durchführen, die mit anderen Teleskopen nicht nur etwa zehn Jahre gedauert hätten, sondern wir können sie auch viel präziser durchführen."

Zu den untersuchten Quellen gehört ein berühmtes Doppelpulsar-System, in dem sich zwei Pulsare in nur 2,5 Stunden umkreisen. "Wir können dieses System jetzt viel genauer untersuchen", so Stairs. "Das System ändert seine Bahnkonfiguration aufgrund relativistischer Effekte ständig, und wir können diese Effekte für Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie sehr genau verfolgen."

RelBin ist die bisher größte Studie von relativistischen Doppelpulsaren und zielt auch darauf ab, die Zahl präzise gemessener Massen von Neutronensternen zu erhöhen. "Die Masse von Neutronensternen gibt Aufschluss darüber, wie dicht wir die Materie im Universum packen können", erläutert Dr. Vivek Venkatraman Krishnan, Post-Doktorand am MPIfR und Mitorganisator der Arbeit "Mit MeerKAT-Beobachtungen von relativistischen Effekten in der Bewegung von Neutronensternen in Binärsystemen können wir ihre Massen mit einer Genauigkeit von etwa einem Prozent oder besser messen und damit möglicherweise eine Reihe von Modellen, die von Kernphysikern vorgeschlagen wurden, beweisen oder ausschließen."

Das Team von Bailes an der Swinburne University of Technology hat die Supercomputer-Infrastruktur entwickelt, die täglich fast 300 Millionen Megabyte an Input vom Teleskop "verdaut" und in wissenschaftlich verwertbare Daten umwandelt. "MeerKAT ist ein perfektes Beispiel für ein global umfassendes Wissenschaftsprojekt, bei dem Experten aus der ganzen Welt zusammenkommen, um ein fantastisches Instrument zu bauen, das die Einsteinschen Gesetze auf Herz und Nieren prüft", sagt er.

Das MeerKAT-Teleskopnetzwerk ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts, aufgebaut in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst um eine Anzahl zusätzlicher Reflektorantennen erweitert (astronews.com berichtete). Dieses Projekt unter der Bezeichnung "MeerKAT+" wird die Fähigkeiten von MeerKAT verbessern. Das Teleskop soll später schrittweise in das Mid-Teleskop des SKA-Observatoriums integriert werden. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit dem verbesserten MeerKAT-Teleskop könnten bereits im Jahr 2023 beginnen, noch während der Testphase des Teleskops.

Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.

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siehe auch
MeerKAT+: Neuer Partner für Teleskoperweiterung - 4. Januar 2021
Radioteleskope: 20 weitere Antennen für MeerKAT - 17. September 2020
MeerKAT: Der Radiohimmel über Südafrika - 4. Dezember 2014
Relativitätstheorie: Doppelter Pulsar bestätigt Einstein - 4. Juli 2008
XMM-Newton: Pulsare im Doppelpack - 24. Juni 2008
Links im WWW
Kramer, M. et al. (2021): The Relativistic Binary Programme on MeerKAT: Science objectives and first results, MNRAS, 504, 2094 (arXiv.org-Preprint)
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
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