Die Universalität des freien Falls

Neutronensterne und weiße Zwerge bewegen sich in einem Schwerefeld mit der gleicher Beschleunigung. Das konnte jetzt ein inter­nationales Forscherteam anhand der Bewegung des Pulsars PSR J0337+1715 zeigen, eines Neutronen­sterns in einem ungewöhn­lichen Dreifach­sternsystem mit zwei weißen Zwergen als Begleiter. Das durch die Verknüpfung von Radioteleskop-Beobachtungen mit den Resultaten von Gravitations­wellen­detektoren erhaltene Ergebnis bedeutet die bisher beste Überprüfung einer der fundamen­talen Vorhersagen der allgemeinen Relativitäts­theorie: Die Schwerkraft zieht alle Objekte mit der gleichen Beschleunigung an, unabhängig von deren Zusammen­setzung, Dichte oder Stärke des eigenen Gravitations­felds.

Der Pulsar PSR J0337+1715 ist ein Neutronenstern von 1,44 Sonnenmassen, der sich 366 Mal pro Sekunde um die eigene Achse dreht und dabei regelmäßige Radiopulse dieser Frequenz Richtung Erde sendet. Das Forscherteam unter der Leitung von Guillaume Voisin vom Jodrell Bank Centre for Astrophysics in Groß­britannien hat mit dem Nançay-Radio­teleskop in Frankreich die Ankunfts­zeiten der Radiopulse von PSR J0337+1715 über einen Zeitraum von acht Jahren genau vermessen. Als Ergebnis können die Wissen­schaftler zeigen, dass Neutronen­sterne und weiße Zwerge sich mit einer Genauigkeit von zwei Teilen pro Million mit gleicher Beschleunigung in einem Schwerefeld bewegen.

Diese Universalität des freien Falls bildet die Grundlage der allgemeinen Relativitäts­theorie von Albert Einstein. „Die Bestätigung mit dieser Genauigkeit stellt einen der bisher überzeugendsten Tests überhaupt für Einsteins Theorie dar – und die Theorie besteht den Test mit Bravour“, sagt Voisin. „Das bedeutet, dass für alternative Theorien der Schwerkraft, die in Konkurrenz zur allgemeinen Relativitäts­theorie zum Beispiel zur Erklärung der dunklen Energie vorgeschlagen werden, enge Grenzen gesetzt werden.“

Die höchste Genauigkeit bei der Überprüfung der Universalität des freien Falls konnte bisher mit einem speziell dafür entwickelten französischen Satelliten namens Microscope erreicht werden. Die kleinen Prüfmassen im Inneren des Satelliten zeigen eine identische Beschleunigung im Schwerefeld der Erde bis zu einer Genauigkeit von 1 zu 100 Billionen.

Da Experimente wie der Microscope-Satellit die Universalität des freien Falls mit derart hoher Genauigkeit bestätigen konnten, haben die meisten Gravitations­theorien diese als Grund­voraus­setzung integriert. Das heißt, dass alle diese Theorien die Gravitation als geometrisches Phänomen beschreiben, das aus der Krümmung der Raumzeit resultiert. Die anderen Theorien unterscheiden sich von der allgemeinen Relativitäts­theorie nur dadurch, wie die Raumzeit durch die Massen großer Objekte verbogen wird, was sich durch radio­astro­nomische Beobachtungen von Neutronen­sternen besonders gut testen lässt.

Obwohl also alle Theorien vorhersagen, dass kleine Objekte sich mit identischer Beschleunigung im gleichen Gravitations­feld bewegen, ist der Sachverhalt nicht mehr so einfach, wenn es sich statt kleiner Körper um astro­nomische Objekte mit großer Masse handelt, die durch die Gravitation selbst zusammen­gehalten werden. In diesem Fall vermittelt die allgemeine Relativitäts­theorie das einfachste Bild, dass nämlich die Universalität des freien Falls auch für solche selbst­gravitie­renden Objekte gilt, während viele alternative Theorien zur Gravitation Abweichungen von einer universellen Beschleunigung vorhersagen.

Diese Abweichungen vergrößern sich in der Regel in dem Maß, mit dem die Raumzeit durch die Masse des Objekts selbst verkrümmt wird. Für Objekte wie die Erde, die Sonne und selbst weiße Zwergsterne ist das Maß der Raumkrümmung ziemlich klein. Im Vergleich dazu ist die Raumkrümmung bei Neutronen­sternen Millionen bis Billionen mal stärker. In Gravitations­theorien, die eine Verletzung der Universalität des freien Falls in Bezug auf die Eigen­gravitation der Objekte vorhersagen, ist das Ausmaß dieser Verletzung im Fall von Neutronen­sternen generell wesentlich stärker als bei allen anderen Objekten.

Im Jahr 2014 entdeckten Radioastronomen, dass der Pulsar PSR J0337+1715 zusammen mit zwei weißen Zwergen ein Dreifach­sternsystem bildet. Dieses System stellt ein ideales Labor dar, um die Universalität des freien Falls für einen Neutronenstern zu überprüfen. Durch die systematische Erfassung der Bewegung des Pulsars aufgrund seiner Radiosignale konnte nun ein hochpräziser Test durchgeführt werden, der zeigt, ob der Pulsar sich mit der gleichen Beschleunigung im Gravitationsfeld des äußeren Weißen Zwergs bewegt wie der benachbarte innere weiße Zwerg.

Der neue Test verbessert frühere Untersuchungen des gleichen Systems in zweifacher Hinsicht. Zum einen liefert er einen schärferen Grenzwert für einen Unterschied in der Schwere­beschleunigung zwischen Pulsar und innerem weißen Zwerg, zum anderen verwendet er Ergebnisse zu den Eigenschaften von Neutronen­sternen, die sich aus der vernichtenden Kollision zweier Neutronensterne ergeben, die mit den LIGO/VIRGO-Gravitations­wellen­observatorien beobachtet werden konnte. „Der zweite Aspekt ist besonders wichtig in Hinblick auf die Abgrenzung der allgemeinen Relativitäts­theorie zu alter­nativen Gravitations­theorien“, erklärt Team-Mitglied Norbert Wex vom MPI für Radio­astronomie.

MPIfR / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  G. Voisin et al.: An improved test of the strong equivalence principle with the pulsar in a triple star system, Astron. Astroph. 638, A24 (2020); DOI: 10.1051/0004-6361/202038104
• Pulsars and Time Domain Astrophysics, Jodrell Bank Centre for Astrophysics, University of Manchester, Großbritannien
• Radioastronomische Fundamentalphysik, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn