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Gravitationsphysik : 1:0 für Einstein

  • -Aktualisiert am

Die Galaxie ESO 325-G004 ist mit einer Entfernung von nur 480 Millionen Lichtjahren eine der nächstgelegenen Gravitationslinsen, hier aufgenommen vom Hubble Weltraumteleskop. Bild: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Zum ersten Mal ist ein hochpräziser Test der Allgemeinen Relativitätstheorie in einer fernen Galaxie gelungen – mit Erfolg.

          3 Min.

          Um ein Bild aus der Welt des Fußballs zu bemühen: Die Allgemeine Relativitätstheorie ist so etwas wie der FC Bayern München der Gravitationstheorien. Sie hat viele Fans, viele Gegner und ist enorm erfolgreich. Wie beim bayerischen Fußballclub gilt Letzteres aber vor allem in der Heimatliga, in diesem Fall dem Sonnensystem. Ob Einsteins Meisterwerk auch in anderen Galaxien uneingeschränkt herrscht, war bislang nicht so sicher. Dank eines Teams von Astronomen aus Großbritannien, den Vereinigten Staaten und Deutschland hat die Allgemeine Relativitätstheorie nun aber einen extragalaktischen Sieg eingefahren („Science“, doi: 10.1126/science.aao2469).

          Tests auf immer höherem Niveau

          Das Grundprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie klingt einfach, ist jedoch revolutionär: Masse deformiert das Gewebe aus Raum und Zeit. Wo besonders viel Materie versammelt ist, ist der Raum gekrümmt, die Zeit vergeht langsamer. Nicht nur andere Massen, sondern auch elektromagnetische Strahlung wie das Licht werden in der Nähe eines Sterns oder einer Galaxie aus geradlinigen Bahnen abgelenkt. Bis heute haben Forscher die Relativitätstheorie immer wieder und auf immer höherem Niveau getestet. Einer der überzeugendsten Beweise gelang mit Hilfe der amerikanischen Raumsonde Cassini, die mehrere Jahre lang um den Planeten Saturn kreiste. Deren Radiosignale verhielten sich, wenn Saturn und Sonde von der Erde aus gesehen hinter der Sonne standen, genau so, wie die Relativitätstheorie es forderte – und zwar auf ein hundertstel Promille genau.

          Die elliptische Galaxie ESO 325-G004 beherbergt im äußeren Bereich ihres Halos tausende Kugelsternhaufen.

          Solch hochpräzise Bestätigungen beschränkten sich bislang jedoch auf das Sonnensystem und damit auf einen astronomisch gesehen kleinen Raum. Stimmen die Vorhersagen der Relativitätstheorie auch in fernen Galaxien und Galaxienhaufen – den größten Strukturen, die Astronomen im Kosmos beobachten? Diese Frage ist bedeutsam, denn auf der Größenskala der Galaxien steht die Relativitätstheorie in Konkurrenz mit alternativen Gravitationstheorien, die beispielsweise ohne die „Dunkle Energie“ und „Dunkle Materie“ auskommen. Dunkle Materie ist notwendig, um die Bewegungen von Sternen und Galaxien im Rahmen der Relativitätstheorie verstehen zu können. Dunkle Energie mussten Kosmologen Ende der neunziger Jahre einführen, um die beschleunigte Expansion des Kosmos erklären zu können. Bis heute weiß niemand, woraus diese ominösen Stoffe bestehen.

          Galaxie als Gravitationslinse

          Um die Relativitätstheorie auch außerhalb unseres Sonnensystems präzise zu testen, untersuchen Astronomen Licht, das aus sehr großer Entfernung zu uns kommt. Stehen aus Sicht der Erde zwei Galaxien genau in einer Linie hintereinander, wird das Licht der entfernteren (der „Quelle“) durch die Gravitation der näheren Galaxie verstärkt und verzerrt. Die nähere Galaxie wirkt dann als „Gravitationslinse“, deren „Brechkraft“ vor allem von ihrer Gesamtmasse abhängt. Gravitationslinsen haben Astronomen schon vielfach entdeckt, doch es ist alles andere als einfach, die Masse der Linsengalaxien zu bestimmen. Deshalb ließen sich Aussagen der Relativitätstheorie mit dieser Methode bislang nur auf 20 bis 30 Prozent genau testen. Die Galaxie „ESO 325-G004“ im südlichen Sternbild Zentaur bot den Astronomen um Thomas Collett von der University of Portsmouth in Großbritannien eine seltene Ausnahme. Sie ist mit 480 Millionen Lichtjahren Distanz eine der nächstgelegenen Gravitationslinsen. Auf Bildern des Weltraumteleskops Hubble erscheint ihre über 10 Milliarden Lichtjahre entfernte Quellengalaxie als fast perfekter „Einstein-Ring“: Dieser entsteht, wenn Quelle und Linse aus Erdsicht fast perfekt hintereinander stehen.

          Weil ESO 325 verhältnismäßig nah ist, konnten Collett und sein Team mit dem Integralfeldspektrografen Muse, einem Instrument am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile, die Bewegung ihrer Sterne nachvollziehen – und damit auch die Gesamtmasse der Galaxie. Damit war ein präziser Test der Relativitätstheorie möglich. Das Ergebnis stimmt auf drei Prozent mit Einsteins Vorhersage überein: Seine Theorie ist also auch auf der Skala von Galaxien das Maß aller Dinge. Auch die größten Erfolge verwandeln die Gegner eines Fußballclubs nicht in Fans. Bei der Relativitätstheorie wird es ähnlich sein. Sie funktioniert außerordentlich gut, aber nur mit „dunkler“ Hilfe. Erst wenn die Natur von Dunkler Materie und Energie aufgeklärt ist, werden sich ihre Skeptiker bekehren lassen – oder auch nicht.

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