Astronomen messen die Masse eines Weißen Zwergs und beweisen, dass Einstein Recht hatte… schon wieder
Es ist über ein Jahrhundert her, seit Einstein Tannen seine vorgeschlagen hat Allgemeine Relativitätstheorie , sein bahnbrechender Vorschlag zur Funktionsweise der Schwerkraft im gesamten Kosmos. Und doch werden nach all der Zeit immer noch Experimente durchgeführt, die zeigen, dass Einsteins Feldgleichungen auf dem richtigen Weg waren. Und in einigen Fällen finden alte Experimente neue Verwendungen und helfen Astronomen, andere astronomische Geheimnisse zu entschlüsseln.
Ein typisches Beispiel: NASA-Astronomen haben mit dem Hubble-Weltraumteleskop wiederholte einen jahrhundertealten Test der Allgemeinen Relativitätstheorie, um die Masse eines Weißen Zwergs zu bestimmen. In der Vergangenheit wurde dieser Test verwendet, um zu bestimmen, wie er Licht von einem Hintergrundstern ablenkt. In diesem Fall wurde es verwendet, um neue Erkenntnisse über Theorien über den Aufbau und die Zusammensetzung der ausgebrannten Überreste eines Sterns zu gewinnen.
Weiße Zwerge sind das, was aus einem Stern wird, nachdem er die Hauptsequenz seines Lebens verlassen hat, nachdem sein Kernbrennstoff erschöpft ist. Danach stößt der Stern den größten Teil seines äußeren Materials aus, normalerweise durch eine massive Explosion (auch bekannt als Supernova). Was zurückbleibt, ist eine kleine und extreme Dichte (nach einem Neutronenstern an zweiter Stelle), die eine unglaubliche Gravitationskraft ausübt.
Illustration, die zeigt, wie die Schwerkraft eines weißen Zwergsterns den Raum verzerrt und das Licht eines entfernten Sterns dahinter biegt. Credits: NASA, ESA und A. Feild (STScI)
Dieses Attribut macht Weiße Zwerge zu einem guten Mittel, um die Allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Indem sie messen, wie stark sie das Licht eines Hintergrundsterns ablenken, können Astronomen den Einfluss der Schwerkraft auf die Krümmung der Raumzeit erkennen. Dies ähnelt genau dem, was der britische Astronom Sir Arthur Eddington 1919 tat, als er eine Expedition leitete, um zu bestimmen, wie stark die Schwerkraft der Sonne das Licht eines Hintergrundsterns während einer Sonnenfinsternis ablenkte.
Dieses Experiment, das als Gravitationsmikrolinseneffekt bekannt ist, wurde vom NASA-Team wiederholt. Verwendung der Hubble-Weltraumteleskop , beobachteten sie Stein 2051B – einen Weißen Zwerg, der sich nur 17 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet – zu sieben verschiedenen Gelegenheiten während eines Zeitraums von zwei Jahren. Während dieser Zeit bewegte er sich vor einem etwa 5000 Lichtjahre entfernten Hintergrundstern, was eine sichtbare Abweichung in der Lichtbahn des Sterns verursachte.
Die resultierende Abweichung war unglaublich klein – nur 2 Milliarsekunden von seiner tatsächlichen Position – und war nur dank der optischen Auflösung von wahrnehmbar Hubbles Weitfeldkamera 3 (WFC3). Eine solche Abweichung wäre mit Instrumenten vor Hubble nicht zu erkennen gewesen. Und was noch wichtiger ist, die Ergebnisse stimmten mit dem überein, was Einstein vor einem Jahrhundert vorhergesagt hatte.
Als Kailash Sahu, ein Astronom an der Institut für Weltraumteleskop-Wissenschaft (STScI) und der leitende Forscher des Projekts, erklärt in einer Pressemitteilung der NASA, dass diese Methode auch eine effektive Möglichkeit ist, die Masse eines Sterns zu testen. „Diese Mikrolinsenmethode ist ein sehr unabhängiger und direkter Weg, um die Masse eines Sterns zu bestimmen“, sagte er. „Es ist, als würde man den Stern auf eine Skala legen: Die Auslenkung ist analog zur Bewegung der Nadel auf der Skala.“
Animation, die den Weißen Zwergstern Stein 2051B zeigt, wie er vor einem entfernten Hintergrundstern vorbeizieht. Bildnachweis: NASA
Die Ablenkungsmessung lieferte hochgenaue Ergebnisse bezüglich der Masse des Weißen Zwergs – ungefähr 68 Prozent der Sonnenmasse (alias 0,68 Sonnenmassen) – was auch mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmte. Dies ist insofern von großer Bedeutung, als es die Tür zu einer neuen und interessanten Methode zur Bestimmung der Masse entfernter Sterne ohne Begleiter öffnet.
In der Vergangenheit haben Astronomen normalerweise die Masse von Sternen bestimmt, indem sie binäre Paare beobachtet und ihre Bahnbewegungen berechnet haben. Ganz ähnlich wie Radialgeschwindigkeitsmessungen werden von Astronomen verwendet, um zu bestimmen, ob ein Planet ein System von Exoplaneten hat, indem man den Einfluss zweier Sterne aufeinander misst, um zu bestimmen, wie viel Masse jeder von ihnen besitzt.
So bestimmten Astronomen die Masse des Sirius-Sternsystems, das sich etwa 8,6 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Dieses Doppelsternsystem besteht aus einem Weißen Überriesen (Sirius A) und einem Weißen Zwerg (Sirius B), die sich mit einer Radialgeschwindigkeit von 5,5 km/s umkreisen. Diese Messungen halfen Astronomen zu bestimmen, dass Sirius A eine Masse von etwa 2,02 Sonnenmassen hat, während Sirius B 0,978 Sonnenmassen wiegt.
Und während Stein 2051B einen Begleiter hat (einen leuchtend roten Zwerg), können Astronomen seine Masse nicht genau messen, weil die Sterne zu weit voneinander entfernt sind – mindestens 8 Milliarden Kilometer (5 Milliarden Meilen). Daher könnte diese Methode in Zukunft überall dort eingesetzt werden, wo Begleitsterne nicht verfügbar oder zu weit entfernt sind. Die Hubble-Beobachtungen halfen dem Team auch, die Theorie, dass der Radius eines Weißen Zwergs durch seine Masse bestimmt werden kann, unabhängig zu überprüfen.
Künstlerische Darstellung des binären Paares, das aus einem Weißen Zwergstern in der Umlaufbahn um Sirius (einen weißen Überriesen) besteht. Bildnachweis: NASA, ESA und G. Bacon (STScI)
Diese Theorie wurde erstmals 1935 von Subrahmanyan Chandrasekhar vorgeschlagen, dem indisch-amerikanischen Astronomen, dessen theoretische Arbeit über die Entwicklung von Sternen (und Schwarzen Löchern) ihm 1983 den Nobelpreis für Physik einbrachte Zusammensetzung der weißen zwerge. Aber selbst mit einem so hoch entwickelten Instrument wie dem WFC3 waren diese Messungen nicht ohne Schwierigkeiten.
Wie Jay Anderson, ein Astronom am STScI, der die Analyse leitete, um die Positionen der Sterne in den Hubble-Bildern genau zu messen, erklärte:
„Stein 2051B erscheint 400-mal heller als der entfernte Hintergrundstern. Die Messung der extrem kleinen Ablenkung ist also wie der Versuch, ein Glühwürmchen neben einer Glühbirne zu sehen. Die Bewegung des Insekts ist sehr gering und das Leuchten der Glühbirne macht es schwierig, die Bewegung des Insekts zu sehen.“
Dr. Sahu präsentierte gestern (7. Juni) die Ergebnisse seines Teams auf der Amerikanische Astronomische Gesellschaft Treffen in Austin, Texas. Das Ergebnis des Teams wird auch im Journal erscheinenWissenschaftam 9. Juni. Und in Zukunft planen die Forscher, Hubble zu nutzen, um eine ähnliche Mikrolinsen-Studie auf Proxima Centauri durchzuführen, dem nächsten stellaren Nachbarn unseres Sonnensystems und der Heimat des der Erde am nächsten liegenden Exoplaneten (Proxima b).
Es ist wichtig anzumerken, dass dies keineswegs das einzige moderne Experiment ist, das Einsteins Theorien bestätigt hat. In den letzten Jahren wurde die Allgemeine Relativitätstheorie durch Beobachtungen von . bestätigt schnell drehende Pulsare , 3D-Simulationen von kosmische Evolution , und (am wichtigsten) die Entdeckung von Gravitationswellen . Selbst im Tod leistet Einstein noch wertvolle Beiträge zur Astrophysik!
Weiterlesen: NASA