Warp-Faktor: Wirhaben einen sich drehenden Stern beobachtet, der das Gewebe von Raum und Zeit mitreißt

Eine der Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist, dass jeder sich drehende Körper das Gewebe von Raum und Zeit in seiner Nähe mitreißt. Dies wird als „Frame-Dragging“ bezeichnet.

Im Alltag ist Frame-Dragging sowohl nicht nachweisbar als auch belanglos, da der Effekt so lächerlich klein ist. Um das durch den gesamten Erdspin verursachte Frame-Dragging zu erkennen, sind Satelliten wie die 750 Millionen US-Dollar schwere Sonde B und die Erkennung von Winkeländerungen in Gyroskopen erforderlich, die etwa alle 100.000 Jahre nur einem Grad entsprechen.Zum Glück für uns enthält das Universum viele natürlich vorkommende Gravitationslabors, in denen Physiker Einsteins Vorhersagen bei der Arbeit in exquisiten Details beobachten können. Die Forschung unseres Teams, die heute in Science veröffentlicht wurde, zeigt Beweise für das Ziehen von Bildern in einem viel auffälligeren Maßstab mit einem Radioteleskop und einem einzigartigen Paar kompakter Sterne, die mit schwindelerregender Geschwindigkeit umeinander sausen.Die Bewegung dieser Sterne hätte die Astronomen zu Newtons Zeiten verwirrt, da sie sich eindeutig in einer verzerrten Raumzeit bewegen und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie benötigen, um ihre Flugbahnen zu erklären.

Das weiße Zwerg-Pulsar-Binärsystem PSR J1141-6545, entdeckt vom Parkes-Radioteleskop des CSIRO. Der Pulsar umkreist alle 4,8 Stunden seinen Begleiter, den weißen Zwerg. Die schnelle Rotation des weißen Zwergs zieht die Raumzeit um sich herum und lässt die gesamte Umlaufbahn im Weltraum taumeln. Mark Myers/ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist die Grundlage der modernen Gravitationstheorie. Es erklärt die genaue Bewegung der Sterne, Planeten und Satelliten und sogar den Fluss der Zeit. Eine seiner weniger bekannten Vorhersagen ist, dass sich drehende Körper die Raumzeit mit sich herumschleppen. Je schneller sich ein Objekt dreht und je massiver es ist, desto stärker ist der Widerstand.

Ein Objekttyp, für den dies sehr relevant ist, wird als weißer Zwerg bezeichnet. Dies sind die übrig gebliebenen Kerne von toten Sternen, die einst ein Vielfaches der Masse unserer Sonne hatten, aber seitdem ihren Wasserstoffbrennstoff erschöpft haben. Was bleibt, ist ähnlich groß wie die Erde, aber hunderttausendmal massiver. Weiße Zwerge können sich auch sehr schnell drehen und sich alle ein oder zwei Minuten drehen, anstatt alle 24 Stunden wie die Erde.

Das von einem solchen weißen Zwerg verursachte Frame-Dragging wäre ungefähr 100 Millionen Mal so stark wie das der Erde.

Das ist alles schön und gut, aber wir können nicht zu einem weißen Zwerg fliegen und Satelliten um ihn herum starten. Glücklicherweise ist die Natur jedoch freundlich zu Astronomen und hat ihre eigene Art, sie über umlaufende Sterne, sogenannte Pulsare, beobachten zu lassen.Vor zwanzig Jahren entdeckte das Parkes-Radioteleskop von CSIRO ein einzigartiges Sternenpaar, das aus einem weißen Zwerg (etwa so groß wie die Erde, aber etwa 300.000 mal schwerer) und einem Radiopulsar (nur so groß wie eine Stadt, aber 400.000 mal schwerer) besteht.

Verglichen mit weißen Zwergen spielen Pulsare in einer ganz anderen Liga. Sie bestehen nicht aus herkömmlichen Atomen, sondern aus dicht gepackten Neutronen, was sie unglaublich dicht macht. Darüber hinaus dreht sich der Pulsar in unserer Studie 150 Mal pro Minute. Dies bedeutet, dass 150 Mal pro Minute ein „Leuchtturmstrahl“ von Radiowellen, die von diesem Pulsar emittiert werden, an unserem Aussichtspunkt hier auf der Erde vorbeifegt. Wir können dies verwenden, um den Weg des Pulsars abzubilden, während er den weißen Zwerg umkreist, indem wir den Zeitpunkt bestimmen, an dem sein Puls bei unserem Teleskop ankommt, und die Lichtgeschwindigkeit kennen. Diese Methode ergab, dass sich die beiden Sterne in weniger als 5 Stunden umkreisen.Dieses Paar, offiziell PSR J1141-6545 genannt, ist ein ideales Gravitationslabor. Seit 2001 sind wir mehrmals im Jahr nach Parkes gewandert, um die Umlaufbahn dieses Systems zu kartieren, die eine Vielzahl von Einsteinschen Gravitationseffekten aufweist.

Die Kartierung der Entwicklung von Umlaufbahnen ist nichts für Ungeduldige, aber unsere Messungen sind lächerlich präzise. Obwohl PSR J1141-6545 mehrere hundert Billiarden Kilometer entfernt ist (eine Billiarde ist eine Million Milliarden), wissen wir, dass sich der Pulsar 2,5387230404 Mal pro Sekunde dreht und dass seine Umlaufbahn im Weltraum taumelt. Dies bedeutet, dass die Ebene seiner Umlaufbahn nicht fest ist, sondern sich langsam dreht.

Wie ist dieses System entstanden?

Wenn Paare von Sternen geboren werden, stirbt der massereichste zuerst und bildet oft einen weißen Zwerg. Bevor der zweite Stern stirbt, überträgt er Materie auf seinen Begleiter des weißen Zwergs. Eine Scheibe bildet sich, wenn dieses Material in Richtung des weißen Zwergs fällt, und im Laufe von Zehntausenden von Jahren dreht es den weißen Zwerg auf, bis er sich alle paar Minuten dreht.

Künstlerische Darstellung eines weißen Zwergs, der durch die Übertragung von Materie von seinem Begleiter hochgefahren wird. Material an der Oberfläche des geschwollenen Sterns fällt in Richtung des weißen Zwergs und bildet eine Materialscheibe, die sich so schnell bewegt, dass sich der Stern schnell dreht. ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery

In seltenen Fällen wie diesem kann der zweite Stern dann in einer Supernova detonieren und einen Pulsar hinterlassen. Der sich schnell drehende weiße Zwerg zieht die Raumzeit mit sich herum und lässt die Umlaufbahn des Pulsars kippen, wenn er mitgeschleift wird. Dieses Kippen ist das, was wir durch unsere geduldige Kartierung der Umlaufbahn des Pulsars beobachtet haben.Einstein selbst dachte, dass viele seiner Vorhersagen über Raum und Zeit niemals beobachtbar wären. In den letzten Jahren gab es jedoch eine Revolution in der extremen Astrophysik, einschließlich der Entdeckung von Gravitationswellen und der Abbildung eines Schattens eines Schwarzen Lochs mit einem weltweiten Netzwerk von Teleskopen. Diese Entdeckungen wurden von Milliarden-Dollar-Einrichtungen gemacht. Glücklicherweise gibt es immer noch eine Rolle bei der Erforschung der allgemeinen Relativitätstheorie für 50 Jahre alte Radioteleskope wie das in Parkes und für geduldige Kampagnen von Generationen von Doktoranden.

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