Bislang präzisester Test Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
Ein sogenannter Einsteinring um die Galaxie „ESO 325-G004“
Copyright: ESO, ESA/Hubble, NASA
Portsmouth (Großbritannien) – Mit dem MUSE-Instrument am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile und dem NASA/ESA-Weltraumteleskop „Hubble“ haben Astronomen den bisher genauesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb unserer Milchstraße durchgeführt. Das positive Ergebnis schließt einige alternative Theorien zur Schwerkraft aus.
Wie das Team um Thomas Collett von der University of Portsmouth aktuell im Fachjournal „Science“ (DOI: 10.1126/science.aao2469) berichtet, wirkt die nahegelegene Galaxie „ESO 325-G004“ wie eine starke Gravitationslinse, die das Licht einer fernen Galaxie dahinter verzerrt und so einen sogenannten Einsteinring um ihr Zentrum bildet.
Durch den Vergleich der Masse von „ESO 325-G004“ mit der Krümmung des Weltraums um sie herum fanden die Astronomen heraus, dass sich die Gravitation auf diesen astronomischen Längenskalen exakt wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt verhält. Das schließt einige alternative Theorien der Schwerkraft aus.
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Hintergrund
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass massebehaftete Objekte die sog. Raumzeit (also die Struktur des Weltraums) um sich herum krümmen, wodurch das vorbeiziehende Licht abgelenkt wird. Dies führt zu einem Phänomen, das als Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Dieser Effekt ist nur bei sehr massereichen Objekten spürbar. „Einige hundert starke Gravitationslinsen sind bekannt, aber die meisten sind zu weit entfernt, um ihre Masse genau zu messen“, erläutert die ESO-Pressemitteilung.
Diese schematische Darstellung zeigt, wie der Lichtweg einer fernen Galaxie im Schwerefeld einer näher gelegenen Vordergrundgalaxie verändert wird, die als Linse fungiert und so die ferne Galaxie heller, aber verzerrt aussehen lässt. Dabei entstehen charakteristische ringförmige Strukturen, die man als Einsteinringe bezeichnet.
Copyright: ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.
Die Galaxie ESO 325-G004 ist jedoch eine der nächstgelegenen Linsen, nur 450 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Von dieser Galaxie sind die Masse der Vordergrundgalaxie bekannt und mit Hubble gelang den Astronomen die Vermessung der Stärke des Gravitationslinseneffekts. Ein Vergleich dieser beiden Ansätze, die Stärke der Schwerkraft zu messen – führte im Ergebnis genau zu jenen Werten, wie sie mittels der Allgemeine Relativitätstheorie (mit einer Unsicherheit von nur 9 Prozent) vorhergesagt wurden. Damit handelt es sich um den bisher präziseste Test der Allgemeinen Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße.
Zum Thema
Schon zuvor hatten Astronomen die Allgemeine Relativitätstheorie mit extremer Genauigkeit auf den Skalen des Sonnensystems getestet und auch die Bewegung der Sterne im Zentrum der Milchstraße wird derzeit noch detailliert untersucht. Bislang gab es aber keine genauen Tests auf noch größeren astronomischen Skalen. „Die Prüfung der Langstreckeneigenschaften der Schwerkraft ist entscheidend für die Validierung unseres aktuellen kosmologischen Weltbilds“, so die Forscher.
Tatsächlich könnten diese jetzt gewonnen Erkenntnisse wichtige Auswirkungen für alternative Modelle der Gravitation zur Allgemeinen Relativitätstheorie haben. Solche alternativen Theorien sagen etwa voraus, dass die Auswirkungen der Schwerkraft auf die Krümmung der Raumzeit „skalenabhängig“ sei: Die Schwerkraft müsste sich also über astronomische Längenskalen hinweg anders verhalten als auf den kleineren Skalen des Sonnensystems. Die jetzige Messung legt nahe, dass diese Annahme unwahrscheinlich ist, es sei denn, diese Unterschiede treten nur auf Längenskalen auf, die größer als 6000 Lichtjahre sind.
„Das Universum ist schon ein erstaunlicher Ort. Es bietet uns Gravitationslinsen, die wir als unsere Labore nutzen können“, fügt Bob Nichol hinzu. „Es ist hochgradig befriedigend, wenn wir die besten Teleskope der Welt hernehmen, um Einstein herauszufordern, nur um herauszufinden, wie Recht er hatte.“
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