Astronomen sehen, wie sich der Weltraum um einen Weißen Zwerg dreht, der 12.000 Lichtjahre entfernt ist

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist vollgepackt mit seltsamen Vorhersagen darüber, wie Raum und Zeit von massiven Körpern beeinflusst werden. Alles von Gravitationswellen bis zur Linsenbildung von Licht durch dunkle Materie. Aber eine der seltsamsten Vorhersagen ist ein Effekt, der als Frame-Dragging bekannt ist. Der Effekt ist so subtil, dass er erst vor einem Jahrzehnt erstmals gemessen wurde. Jetzt haben Astronomen den Effekt um einen Weißen Zwerg gemessen, und er sagt uns, wie einige Supernovae auftreten.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Schwerkraft keine Kraft. Das Vorhandensein einer Masse biegt den Raum um sie herum, und dies bedeutet, dass Objekte, die sich in der Nähe der Masse bewegen, von einer geraden Bahn abgelenkt werden. Diese Auslenkung sieht so aus, als ob das Objekt durch eine Kraft, die wir Schwerkraft nennen, zur Masse gezogen würde. Wenn sich eine große Masse dreht, verdreht sich der Raum auch leicht in Drehrichtung. Dieser Effekt wird als Frame-Dragging bezeichnet.

Ein Beispiel für das Ziehen von Rahmen. Bildnachweis: Simon Tyran, über Wikipedia

In der Abbildung oben sehen Sie eine Illustration zum Ziehen von Frames. Das zentrale Objekt ist ein massiver rotierender Körper, beispielsweise ein Schwarzes Loch. Die roten Punkte stellen Punkte dar, die „in Ruhe“ sind, was bedeutet, dass sie sich nicht bewegendurchPlatz. Stattdessen bewegen sie sich, weil sich der Raum um den Körper aufgrund der Rotation verdreht. Dieser Frame-Dragging-Effekt tritt zusätzlich zu jeder Orbitalbewegung eines Objekts auf und ist einer der Gründe, warum die Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch so extrem heiß werden kann.

In Erdnähe ist der Frame-Dragging-Effekt sehr gering. So klein, dass es einen speziellen Satelliten brauchte, um es zu messen. Die als Gravity Probe B bekannte Raumsonde enthielt eines der kugelförmigsten Objekte, die je hergestellt wurden. Im Weltraum angekommen, wurde die Kugel in Drehung versetzt und über die Zeit beobachtet.

Der Präzessionseffekt von Gravity Probe B. Credit: Gravity Probe B Team, Stanford, NASA

Ohne Frame-Draging sollte eine rotierende Kugel, die die Erde umkreist, immer dieselbe Ausrichtung wie ein Gyroskop beibehalten. Die Schwerkraft der Erde kann sie nicht selbst verdrehen. Aber Frame-Draging kann. Aufgrund der Erdrotation dreht sich die näher an der Erde liegende Weltraumregion nur geringfügig schneller als die weiter entfernte Weltraumregion. Dies bedeutet, dass der Teil der Kugel, der näher an der Erde liegt, einen kleinen Schub bekommt und sich seine Ausrichtung im Laufe der Zeit ändert. Wir nennen dies Linsen-Thirring-Präzession. 2015 hat das Team diese Präzession gemessen und sie stimmte perfekt mit der Allgemeinen Relativitätstheorie überein.

Während der Frame-Dragging-Effekt um massereiche Körper wie Weiße Zwerge und Neutronensterne größer ist, ist er nicht einfach zu messen. Um das Frame-Dragging eines Körpers zu messen, benötigen Sie etwas, das ihn umkreist. Zum Glück für uns sind viele Weiße Zwerge und Neutronensterne Teil eines Doppelsternsystems. Vor kurzem hat ein Team ein binäres System verwendet, um das Ziehen von Frames zu untersuchen.

1999 entdeckte das australische Parkes-Radioteleskop den Pulsar PSR J1141-6545. Es ist ein Neutronenstern, der sich in einer binären Umlaufbahn mit einem Weißen Zwergstern befindet. Die Entfernung zwischen diesen beiden Sternen beträgt nur etwa die Breite der Sonne und sie umkreisen sich alle fünf Stunden.

Da Pulsare in regelmäßigen Abständen einen scharfen Radiopuls aussenden, können Astronomen damit äußerst genaue Messungen der Bewegung und Umlaufbahn des Pulsars durchführen. Die Messungen sind so präzise, ​​dass wir sie verwenden können, um die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, einschließlich des Ziehens von Frames, zu messen. Da der Weiße Zwerg rotiert, präzediert die Bahn des Pulsars im Laufe der Zeit leicht. Das Ausmaß der Präzession hängt von der Masse und der Rotationsgeschwindigkeit des Weißen Zwergs ab.

Parkes Radioteleskop vom Besucherbereich aus gesehen. Bildnachweis: Stephen West

Nach zwanzigjähriger Beobachtung des Pulsars beobachtete das Team nicht nur das Frame-Draging, sondern nutzte es auch, um die Rotationsgeschwindigkeit des Weißen Zwergs zu messen. Sie fanden heraus, dass es sich alle 100 Sekunden einmal dreht, was für einen Weißen Zwerg ziemlich schnell ist.

Die Ergebnisse stimmen mit einem populären Modell über die Entwicklung enger Binärsysteme überein. Pulsare entstehen, wenn große Sterne sterben und zu Supernovae werden. Dies bedeutet, dass das Doppelsternsystem einst ein Doppelsternsystem war, in dem ein großer Stern den Weißen Zwerg umkreiste. Als der Stern das Ende seiner Lebensdauer erreichte, wäre Material aus seiner äußeren Schicht vom Weißen Zwerg eingefangen worden, wodurch er sich schneller drehte. Die Beobachtungen zeigen, dass sich der Weiße Zwerg vor dem Pulsar gebildet hat.

All dies aus einem erstaunlichen Werk der Astronomie, das relativistisches Frame-Draging in einem 12.000 Lichtjahre entfernten Stern misst.

Referenz:Everitt, C.W.F., et al. “ Der Gravity Probe B Test der Allgemeinen Relativitätstheorie. '

Referenz:V. Venkatraman Krishnan et al. “ Linsen-Thirring Frame-Ziehen durch einen schnell rotierenden Weißen Zwerg in einem binären Pulsarsystem '