Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Astronom mit interessanten Ideen über die geheimen Gesetze des Kosmos. Wie jeder gute Wissenschaftler planen Sie ein Experiment, um Ihre Hypothese zu testen. Und dann plötzlich die schlechte Nachricht: Es gibt keine Möglichkeit, es zu testen, außer vielleicht eine Computersimulation. Kosmische Objekte sind zu groß und unangenehm, um in einer Petrischale zu wachsen oder als subatomare Partikel zu kollidieren.
Glücklicherweise gibt es seltene Orte im Weltraum, an denen die Natur ihre eigenen Experimente durchführt - wie PSR J0337 + 1715. Dieses Dreifachsystem wurde erstmals 2012 beobachtet, und 2014 gaben Wissenschaftler seine Entdeckung offiziell bekannt. Es befindet sich 4200 Lichtjahre entfernt im Sternbild Stier.
Drei tote Sternenkerne drehen sich in einem Tanz, der Einsteins Vorstellung von Raumzeit bestätigen oder zu einer Revision führen könnte. Es geht um viel. In den 1970er Jahren lieferte ein System aus zwei toten Sternen starke, wenn auch umständliche Beweise für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie und dafür, dass die Gravitationswellen, die LIGO schließlich fand, existierten. Für diese Arbeit erhielten Wissenschaftler den Nobelpreis.
Um PSR J0337 + 1715 als Teil des Experiments zu verstehen, schlägt Joshua Sokol mit New Scientist vor, es als physischen Ort darzustellen. Etwa in der gleichen Entfernung vom Zentrum des Systems, in dem sich die Erde um die Sonne dreht, liegt ein kalter weißer Zwerg, die Überreste des erstarrten Kerns eines Sterns wie unseres. Etwas weiter entfernt befindet sich ein weiterer heißer weißer Zwerg. Es sollte "hell schreien" am Himmel, sagt Scott Ransome vom National Radio Astronomy Observatory in Virginia, der die Beobachtungen des Systems überwacht.
Alle 1,6 Tage umkreist dieser innere weiße Zwerg einen Begleiter, der für das bloße Auge unsichtbar ist. Beim Röntgen- oder Gammastrahlen sind die beiden weißen Zwerge im Vergleich zu ihrem Begleiter, einem kugelförmigen 24 Kilometer langen Objekt, dessen Masse das Eineinhalbfache der Masse der Sonne beträgt, relativ dunkel.
Es ist ein Pulsar, der Rest eines viel größeren Sterns. Es dreht sich einmal alle 2,73 Millisekunden wie ein kosmischer Staubdämon. Jede Umdrehung setzt einen Strahl von Radiowellen in den Himmel frei, der bei jeder Umdrehung die Erde erreicht - wir verwenden seine ultrapräzisen Signale als kosmische Uhr. Und da diese Körper intensive, verworrene Gravitationsfelder haben und wir Uhren daran gebunden haben, wäre es äußerst praktisch, Einstein zu testen.
Ransoms Team verfolgt das Ticken des Pulsars, misst, wie sich die Umlaufbahnen der drei Körper ändern, und vergleicht die Ergebnisse mit den Vorhersagen von Einsteins Theorie. Sie konzentrieren sich besonders ernsthaft auf eine Idee.
Erinnern Sie sich an die apokryphe Geschichte von Galileo auf dem Schiefen Turm von Pisa, der Objekte auf den Boden warf, um zu zeigen, dass verschiedene Massen dieselbe Zeit benötigen, um dieselbe Strecke zu fliegen. Der Astronaut David Scott machte das gleiche Experiment auf dem Mond mit einer Feder und einem Hammer.
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Das Prinzip der sogenannten starken Äquivalenz in der allgemeinen Relativitätstheorie setzt diese Idee fort. Er argumentiert, dass selbst Objekte mit eigenen Gravitationsfeldern auf die Schwerkraft genauso reagieren sollten wie andere.
Wie bei Federn und einem Hammer sollten sich der innere weiße Zwerg und der viel schwerere Pulsar unter der Schwerkraft des äußeren weißen Zwergs gleich verhalten. Wenn nicht, wird die Umlaufbahn des inneren Paares länger als erwartet - und das Äquivalenzprinzip wird verletzt, und die allgemeine Relativitätstheorie ist falsch.
Und dann wird es Schock und Ehrfurcht geben. Ein solcher Schock könnte jedoch früher oder später erwartet werden, da die allgemeine Relativitätstheorie dafür berüchtigt ist, nicht mit anderen Naturtheorien befreundet sein zu wollen.
"Jede andere Gravitationstheorie als die allgemeine Relativitätstheorie sagt grundsätzlich voraus, dass ein starkes Äquivalenzprinzip auf einer bestimmten Ebene versagen wird", sagt Ransome.
Auf der Pulsar-Konferenz im September in Großbritannien hofft das Team von Ransom, neue Ergebnisse bekannt zu geben, beginnend mit der Arbeit von Anna Archibald, die das Äquivalenzprinzip 50- bis 100-mal besser als je zuvor testen wird. Sie haben dies noch nicht getan, sagt Ransom, da es einige Datenmuster gibt, die gegen das Äquivalenzprinzip zu verstoßen scheinen und genauer untersucht werden müssen.
„Das wird natürlich sehr wichtig sein, deshalb möchten wir sicherstellen, dass wir die Daten richtig verstehen“, sagt Ransom. Derzeit analysieren Computer noch.
Wie hoch sind die Chancen, dass die Leute aufgeregt werden, wenn die Arbeit herauskommt?
„Die meisten Menschen glauben, dass ein starkes Äquivalenzprinzip auf dieser Ebene nicht scheitern kann. Dies ist einer der Gründe, warum wir ständig unsere Köpfe gegen die Wand schlagen."
Vielleicht ist PSR J0337 + 1715 das perfekte Weltraumexperiment: ein Experiment, bei dem die allgemeine Relativitätstheorie definitiv brechen wird, nicht auf dem Papier, aber sicher. Oder wir warten etwas länger.
Ilya Khel
