Verwirbelte Raumzeit

Nach Einsteins allgemeiner Relativitäts­theorie führt die Rotation eines masse­reichen Objekts zu einer Verwirbelung der Raumzeit in seiner unmittelbaren Umgebung. Dieser Effekt konnte im Gravitations­feld der Erde bereits durch Satelliten­experimente mit hoher Genauigkeit vermessen werden. Mit Hilfe eines Radiopulsars ist es nun einem internationalen Forscherteam unter wesentlicher Beteiligung von Wissenschaftlern des Bonner Max-Planck-Instituts für Radio­astronomie gelungen, die entsprechende Ver­wirbelung der Raumzeit bei einem schnell rotierenden Weißen Zwerg zu vermessen und damit die Theorie zur Entstehung eines einzigartigen Doppelstern­systems zu bestätigen.

Im Jahre 1999 wurde mit Hilfe des Parkes-Radio­teleskops in Australien im Sternbild Fliege ganz in der Nähe des berühmten Sternbilds Kreuz des Südens ein besonderes Doppelstern­system entdeckt. In diesem System umkreisen sich der Radiopulsar PSR J1141-6545 und ein relativ masse­reicher Weißer Zwerg in einer Umlaufzeit von nur knapp fünf Stunden. „Die Umlaufbahn dieses Pulsars ist etwas ganz Besonderes. Er erreicht auf seiner Bahn Geschwin­digkeiten von fast einer Million Stunden­kilometern, wobei der maximale Abstand zwischen beiden Partnern kaum größer ist als der Durchmesser unserer Sonne”, sagt Vivek Venkatraman Krishnan vom Max-Planck-Institut für Radio­astronomie, der die Datenanalyse und wichtige Teile der Beobach­tungen von Pulsar J1141-6545 als Doktorand der Swinburne-Universität in Australien durchgeführt hat.

Anders als in den meisten Doppel­sternsystem, die aus einem Pulsar und einem Weißen Zwerg bestehen, deuten theoretische Modelle für das PSR J1141-6545-System darauf hin, dass der Weiße Zwerg vor dem Pulsar entstanden ist. Eine wichtige Vorhersage dieser Modelle ist, dass vor der Supernova­explosion, die den Pulsar gebildet hat, ein erheblicher Materie­transfer vom Vorgänger­stern des Pulsars auf den Weißen Zwerg statt­gefunden hat. Das führte zu einer enormen Beschleunigung der Eigen­rotation des Weißen Zwerges. „Ein Nachweis dieser Rotation wäre ein wichtiger Test für unsere Modelle zur Entwicklung von Doppelsternsystemen”, sagt Thomas Tauris, Experte für Neutronensterne und Weiße Zwerge an der Universität Aarhus in Dänemark. Die übliche Messmethode zur Bestimmung der Rotation eines Sterns liegt in der Untersuchung seiner Spektral­linien. Doch wie soll man die Rotation des Weißen Zwerges messen, der extrem leuchtschwach ist und keinerlei Spektral­linien zeigt? Die Antwort kommt aus unerwarteter Richtung und führt mehr als einhundert Jahre zurück in die Vergan­genheit der theoretischen Physik.

Noch bevor Albert Einstein im November 1915 seine allgemeine Relativitäts­theorie zum Abschluss brachte, erkannte er bereits, dass in einer Theorie, in der sich Gravitation als gekrümmte Raumzeit mani­festiert, die Rotation einer Masse einen direkten Beitrag zum Gravitationsfeld liefert. Etwas salopper ausgedrückt, verwirbelt die Rotation einer Masse die Raumzeit in ihrer Umgebung. Basierend auf der allgemeinen Relativitäts­theorie haben Josef Lense und Hans Thirring bereits im Jahr 1918 mit wesentlicher Unterstützung von Albert Einstein diesen Effekt für unser Sonnen­system untersucht. Dabei haben sie insbesondere berechnet, wie stark die Verwirbelung der Raumzeit durch die Rotation der Sonne die Bewegung der Planeten beeinflusst. Die beiden kamen zu dem Schluss, dass der Effekt, später auch Lense-Thirring-Effekt genannt, für einen Nachweis bei weitem zu klein sei.

Doch inzwischen ist die Technologie wesentlich weiter fortgeschritten und der durch die Erdrotation hervor­gerufene Lense-Thirring-Effekt konnte mit Hilfe von Satelliten­experimenten wie Gravity Probe B oder Laserentfernungsmessungen zu den drei Satelliten Lageos-1, Lageos-2 und Lares erfolgreich bestätigt werden. Während der Effekt bei Gravity Probe B mit vier äußerst präzisen Gyro­skopen gemessen wurde, ist es bei den Lageos-Satelliten eine langsame Präzession der Orbitalebene der Satelliten in Richtung der Erdrotation, die Lense-Thirring-Präzession, die inzwischen auf eine Genauigkeit von etwa zwei Prozent bestimmt werden konnte, in Überein­stimmung mit der Vorhersage der allgemeinen Relativitäts­theorie. Die durch den Lense-Thirring-Effekt verursachte Drehung der Satelliten­bahnen ist extrem klein. Bei Lageos-1 zum Beispiel, der eine fast kreisförmige Bahn mit einem Radius von etwa 2.300 Kilometern hat, dreht sich die Bahnebene lediglich um 0,0000086 Grad pro Jahr; das entspricht einer vollen Drehung um 360 Grad in etwa vierzig Millionen Jahren.

Ganz anders sähe dies bei dem Weißen Zwerg im Doppelstern­system von Pulsar J1141-6545 aus, vorausgesetzt, die Modelle der Stern­entwicklung haben recht. Der Weiße Zwerg, der etwas kleiner als die Erde ist, aber mit 340.000 Erdmassen etwa so viel Masse wie die Sonne hat, sollte sich demnach bereits in wenigen Minuten um seine eigene Achse drehen. „Bei so einem Weißen Zwerg würde sich die Bahnebene des Lageos-1-Satelliten um mehrere Grad pro Tag verschieben, denn dort wird die Raumzeit größen­ordnungsmäßig 100 Millionen mal stärker verwirbelt als dies bei der Erde der Fall ist”, erklärt Norbert Wex, Spezialist für allgemeine Relativitäts­theorie am MPIfR.

Nun kann man keine Satelliten um den mehrere tausend Lichtjahre entfernten Weißen Zwerg positionieren. Im vorliegenden Fall gibt es jedoch einen Pulsar, dessen Radiosignale uns eine entsprechende Vermessung der Bahn erlauben, wie bei Lares und Lageos-1 & 2 mit Laser­strahlen. „Durch eine hochgenaue Messung der Ankunftszeiten der Pulsarsignale an den australischen Parkes- und Utmost-Radio­teleskopen mit Hilfe von Atomuhren konnten wir die Bewegung des Pulsars in seiner Bahn mit einer Genauigkeit von dreißig Kilometern verfolgen, und das über einen Zeitraum von fast zwanzig Jahren”, erläutert Vivek Venkatraman Krishnan. „Das ermög­lichte uns eine präzise Messung sowohl des Durchmessers als auch der Orientierung der Umlaufbahn.” 

Im Abstand des Pulsars vom Weißen Zwerg ist die Raumzeit-Verwirbelung zwar etwa eine Million Mal schwächer als in der Entfernung einer Lageos-1-ähnlichen Bahn, aber dennoch führt die Lense-Thirring-Präzession über einen derart langen Zeitraum zu einer Drehung der Pulsarbahn um etwa 150 Kilometern. „Die Beobachtungen des Pulsars J1141-6545 zeigen eine Abweichung, die aufgrund detaillierter Berechnungen und nach Ausschluss einer ganzen Reihe möglicher Fehler­quellen jetzt eindeutig die Änderung in der Orientierung der Bahnebene bestätigt”, erklärt Willem van Straten, Wissen­schaftler an der Auckland University of Technology in Neuseeland. Eine sorgfältige Analyse der Messungen des Pulsars J1141-6545 unter Einbeziehung des Lense-Thirring-Effekts ermöglicht die Abschätzung der Rotations­periode des Begleiters mit einem Resultat von etwa 100 Sekunden. Das liegt in hervorragender Über­einstimmung damit, dass bevor sich der Pulsar in einer Supernova-Explosion vor ungefähr 1,5 Millionen Jahren gebildet hat, ein erheblicher Massen­abfluss vom Vorgänger­stern des Pulsars auf den Weißen Zwerg erfolgte. „Hier hat uns Albert Einstein ein Werkzeug an die Hand gegeben, um in Zukunft noch mehr über Pulsare und ihre Begleiter heraus­zufinden”, sagt Matthew Bailes von der Swinburne-Universität in Australien. 

Neu errichtete Radio­teleskope und Radio­teleskop-Projekte der Zukunft wie MeerKAT und das Square Kilometre Array (SKA) werden eine zentrale Rolle für das Verständnis dafür spielen, wie sich Einsteins Relativitäts­theorie in solch extremen Umgebungen im Kosmos auswirkt. „Mit der Erwartung, dass das SKA noch eine Vielzahl weiterer exotischer Doppel­sternsysteme dieser Art entdecken wird, werden wir in der Lage sein, eine ganze Reihe weiterer Effekte zu erforschen, wie sie von der allgemeinen Relativitäts­theorie vorhergesagt werden”, sagt Evan Keane von der SKA-Organisation in Groß­britannien.

MPIfR / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  V. V. Krishnan et al.: Lense–Thirring frame dragging induced by a fast-rotating white dwarf in a binary pulsar system, Science 367, 577 (2020); DOI: 10.1126/science.aax7007
• Abt. Radioastronomische Fundamentalphysik, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn