Untypisches Sternsystem erlaubt Test des Äquivalenzprinzips

Ein internationales Forscherteam hat ein außergewöhnliches Sternsystem aus zwei Weißen Zwergen und einem schnell rotierenden Neutronenstern entdeckt. Die vom Neutronenstern ausgehenden Radiopulse erlauben es den Astronomen, die gravitative Wechselwirkung der drei Himmelskörper sehr genau zu vermessen und so grundlegende Prizipien der Physik zu überprüfen. Ihre Ergebnisse präsentieren sie nun in der Onlineausgabe der Fachzeitschrift Nature.

Aufgespürt hatten Scott Ransom vom US-amerikanischen National Radio Astronomy Observatory und seine Kollegen das 4200 Lichtjahre von der Erde entfernte Sternsystem mit dem Green-Bank-Teleskop in West Virginia. Mit diesem und weiteren Teleskopen konnten die Wissenschaftler die relative Position der drei Sterne zueinander mit einer Genauigkeit von einigen Hundert Metern bestimmen. Insgesamt nimmt das System demnach weniger Platz ein als die Umlaufbahn der Erde um die Sonne. „Dieses Dreifachsystem ist ein natürliches kosmisches Labor, mit dem wir lernen können, wie genau solche Dreikörpersysteme funktionieren. Zudem können wir damit möglicherweise Probleme der Allgemeinen Relativitätstheorie nachweisen, die Physiker unter extremen Bedingungen erwarten“, erklärt Ransom.

Pulsar in einem Dreifachsystem

Denn der Neutronenstern dreht sich knapp 366-mal pro Sekunde um seine eigene Achse. Dabei streifen die beiden von ihm ausgehenden Strahlungskegel auch über die Erde, wo diese – ähnlich wie bei einem Leuchtturm – als kurze Radiopulse wahrgenommen werden. Derartige Neutronensterne, Millisekundenpulsare genannt, lassen sich als Präzisionswerkzeuge bei der Untersuchung vieler verschiedener astrophysikalischer Phänomene nutzen. „Dies ist der erste Millisekundenpulsar, der in einem solchen System gefunden wurde. Und wir haben sofort erkannt, dass wir darin die Effekte und die Natur der Gravitation gut studieren können“, erläutert Ransom.

Anhand der drei Himmelskörper wollen die Forscher beispielsweise das starke Äquivalenzprinzip überprüfen. Demzufolge sollte die gravitative Bindungsenergie eines Himmelskörpers in gleicher Weise zu seiner trägen und zu seiner schweren Massen beitragen. Alle Alternativen zur Allgemeinen Relativitätstheorie gehen hingegen davon aus, dass dies nicht der Fall ist. Ransom und seine Kollegen wollen dieses Prinzip testen, indem sie die gravitative Wirkung des äußeren Zwergsterns auf den inneren Weißen Zwerg sowie auf den Pulsar untersuchen und miteinander vergleichen. Denn wenn ein massereicher Stern explodiert und seine Überreste sich zu einem Neutronenstern zusammenziehen, so wird ein Teil seiner Masse in gravitative Bindungsenergie umgewandelt, die den Stern zusammenhält.

„Indem wir die vom Pulsar kommenden Pulse zeitlich hochpräzise analysieren, können wir solche Abweichungen vom starken Äquivalenzprinzip testen – und zwar mit einer Genauigkeit, die um mehrere Größenordnungen größer ist als bisher“, erzählt Koautorin Ingrid Stairs von der University of British Columbia. „Eine Abweichung vom starken Äquivalenzprinzip zu finden, würde auf ein Scheitern der Allgemeinen Relativitätstheorie hinweisen und uns zu einer neuen, korrekten Gravitationstheorie führen.“