Ein schnell rotierender Weißer Zwerg verwirbelt die Raumzeit in einem kosmischen Tanz
Physik-News vom 30.01.2020
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 (Musca) – 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. Ein Radiopulsar ist ein schnell rotierender Neutronenstern, der entlang seiner magnetischen Pole Radiostrahlung aussendet. „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”, erklärt Dr. Vivek Venkatraman Krishnan, Erstautor der Veröffentlichung und Wissenschaftler am 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.
Publikation:
V. Venkatraman Krishnan et al.
Lense-Thirring frame-dragging induced by a fast rotating white dwarf in a binary pulsar system
Science, 31 January 2020
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 Prof. Thomas Tauris, Koautor und 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 100 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 - anders als in der Newtonschen Gravitationstheorie - 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 sogenannte “Lense-Thirring-Präzession”, die inzwischen auf eine Genauigkeit von etwa 2% 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 ca. 12.300 km hat, dreht sich die Bahnebene lediglich um 0,0000086 Grad pro Jahr; das entspricht einer vollen Drehung um 360 Grad in ca. 40 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 Dr. Norbert Wex, Koautor und Spezialist für allgemeine Relativitätstheorie am MPIfR.
Nun kann man keine Satelliten um den mehrere tausend Lichtjahre (oder einige Hundert Billiarden Kilometer) 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 30 km verfolgen, und das über einen Zeitraum von fast zwanzig Jahren”, erläutert Dr. 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 km. „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 Dr. Willem van Straten, Koautor und 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 ca. 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”, ergänzt Prof. Matthew Bailes, Koautor und Wissenschaftler an 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”, schließt Dr. Evan Keane, Koautor der Veröffentlichung und Wissenschaftler bei der SKA-Organisation in Großbritannien.
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