© Spectrum: NASA/CXC/University of Michigan/N. Trueba et al.; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss

Science
10/23/2020

Was Einstein, GPS und ein paar Sterne gemeinsam haben

Forscher konnten die Gravitationsrotverschiebung erstmals außerhalb unseres Sonnensystems messen.

von Franziska Bechtold

Woher wissen wir, wie weit Sterne wirklich von der Erde entfernt sind? Wir - oder besser Teleskope wie Hubble - messen das Licht, das von diesen Sternen auf der Erde ankommt. Dafür wird die sogenannte Rotverschiebung genutzt, die uns mehr über Alter und Entfernung von Galaxien und Sternen verrät.

Die Lichtwellen eines weit von der Erde entfernten Objektes werden immer weiter gestreckt, bis sie auf der Erde gemessen werden können. Diese Objekte bewegen sich durch die Expansion des Universums von uns weg. Objekte, die der Erde näher sind und sich auf uns zu bewegen, senden gestauchte Lichtwellen aus. Sie bewegen sich dann ans blaue Ende des Lichtspektrums.

Vergleichbar ist das mit einem Martinshorn. Bewegt es sich auf uns zu, hören wir sehr hohe Frequenztöne (entspricht blauen Lichtwellen) und wenn es an uns vorbeigefahren ist, nur noch sehr tiefe Töne (entspricht roten Lichtwellen). Desto gestreckter eine Lichtwelle ist, desto weiter entfernt ist ein Objekt – und desto größer ist die Rotverschiebung.

Gravitation und GPS

Die Messung von Rotverschiebung könnte große Auswirkungen auf das moderne Leben auf der Erde haben. Wissenschaftler und Ingenieure nutzen den Effekt, um GPS-Positionen zu bestimmen. Nach Einsteins Relativitätstheorie bewegen sich Uhren langsamer, wenn sie Schwerkraft ausgesetzt sind.

Das bedeutet, dass Uhren, die von Satelliten im Orbit betrachtet werden, ebenfalls langsamer gehen. Das ist ein Problem, wenn man exakte GPS-Daten bestimmen möchte, da selbst die winzigsten Zeit-Unterschiede zu falsch berechneten Positionen führen können. Die Schwerkraft hat ähnliche Auswirkungen auf das Licht, nur wird es im luftleeren Weltraum nicht langsamer, sondern es findet Rotverschiebung statt.

Sternensystem 4U 1916-053

Mit dem Chandra X-Ray Observatory der NASA, einem Satelliten mit Röntgenteleskop, konnten Forscher diesen Effekt nun in zwei Sternen nachweisen, die sich im 29.000 Lichtjahre von der Erde entfernten System 4U 1916-053 befinden. Diese beiden Sterne befinden sich in einem besonders engen Orbit. Ihre Entfernung beträgt nur 346.000 Kilometer, etwas weniger als der Abstand zwischen Erde und Mond.

Die äußere Hülle des Zentralsterns wurde abgetragen, weshalb er deutlich dichter ist als die Sonne. Der andere ist ein Neutronenstern, der eine noch höhere Dichte hat. Er entsteht, wenn ein massiver Stern in einer Supernova explodiert.

Effekt auch in fernen Sternensystemen

Bei der Beobachtung zeigte sich nun, dass Röntgenlicht von Eisen und Silizium absorbiert wurde. Allerdings zeigte die Messung auch, dass die absorbierten Strahlen eine Rotverschiebung erlebten. Die Forscher konnten dabei ausschließen, dass sich die Sterne von uns wegbewegen, da die Rotverschiebung zu stark für die Entfernung war. Daher musste sie durch Gravitation entstanden sein - wie auf der Erde. Die Ergebnisse publizierten sie im Fachmagazin Astronomical Journal.

Anhand der beiden Sterne in 4U 1916-053 konnte nun das erste Mal bestätigt werden, dass dieser Effekt auch außerhalb unseres Sonnensystems auftritt. So konnte man die Größe der Atmosphäre des Neutronensterns mit 2.414 Kilometern messen, die für die Absorption der Röntgenstrahlen verantwortlich ist. Um den Stern erstreckt sich eine Scheibe aus Gas, die ebenfalls Rotverschiebung verursacht. Die Wissenschaftler wollen nun weiter erforschen, was dafür verantwortlich ist.

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