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Wissenschaft

Gravitationslinse

Forscher wiegen Stern mit Einstein-Trick

Sternenlicht vom Kurs abgebracht: Erstmals haben Astronomen einen Weißen Zwerg mit einer Methode vermessen, die Albert Einstein einst erdacht hat. Der Ausnahmephysiker "wäre stolz" angesichts der Entdeckung, sagen Kommentatoren.

NASA/ ESA/ A. Feild/ STScI

Weißer Zwerg beugt Sternlicht (Illustration)

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Donnerstag, 08.06.2017   16:49 Uhr

Es ist ein ungleiches Paar von Winzlingen, das da durchs All tanzt. In den Katalogen der Astronomen findet man unter dem Namen Stein 2051 ein sogenanntes Binärsystem. Es besteht zum einen aus einem Roten Zwerg, also einem sehr kleinen Stern, zum anderen aus einem Weißen Zwerg, also sozusagen einer ziemlich dusteren Sternenleiche. Die ist zwar noch immer recht heiß, aber hat wegen ihrer geringen Größe kaum Leuchtkraft.

Rund 18 Lichtjahre von der Erde drehen die beiden ihre Runden. Der noch quicklebendige Mini-Stern trägt dabei den Namen Stein 2051 a. Sein dahingeschiedener Partner, ähnlich wird auch unsere Sonne in ferner Zukunft aussehen, firmiert unter Stein 2051 b. Und genau dort ist Wissenschaftlern kürzlich eine faszinierende Beobachtung geglückt: Der kleine Himmelskörper lenkt durch seine Gravitationswirkung nämlich das Licht eines entfernteren Sterns auf so besondere Weise ab, dass sich daraus die Masse des Weißen Zwergs berechnen lässt.

Der Nachweis ist nicht zuletzt deswegen faszinierend, weil Albert Einstein solch einen Effekt schon vor Jahrzehnten vorhergesagt hatte. Er zweifelte jedoch, dass entsprechende Beobachtungen in den Tiefen des Alls überhaupt praktisch möglich wären. Forscher um Kailash C. Sahu vom Space Telescope Science Institute (STScI) der US-Weltraumbehörde Nasa in Baltimore (US-Bundesstaat Maryland) treten nun den Gegenbeweis an: Sie berichten im Fachmagazin "Science", wie ihnen die Messung geglückt ist, außerdem stellen sie die Erkenntnisse auf dem Frühjahrstreffen der American Astronomical Society in Austin (US-Bundesstaat Texas) vor.

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Zitate: Einstein über die Relativitätstheorie

Himmelsforscher kennen schon seit 1919 das Phänomen sogenannter Gravitationslinsen - dank unserer Sonne: Damals lieferten Beobachtungen bei einer vollständigen Sonnenfinsternis den ersten entscheidenden Beweis dafür, dass Einsteins kühnes Konstrukt der Allgemeinen Relativitätstheorie tatsächlich mehr war als ein Hirngespinst.

Forscher um die britischen Astrophysiker Frank Watson Dyson und Arthur Eddington konnten auf der Vulkaninsel Príncipe vor der westafrikanischen Küste zeigen, dass Einstein in der Tat das fundamentale Wesen des Kosmos beschrieben hatte: Massen, also im konkreten Fall die unserer Sonne, krümmen die Raumzeit. Und damit beeinflussen sie auch den Weg des Lichts durchs All. Das ließ sich bei der Beobachtung von Sternen im Sternbild Stier während der fast siebenminütigen Dunkelheit zweifelsfrei nachweisen.

Gekrümmter Raum

Die aktuelle Messung ist nun 1000-mal präziser als die von 1919. Der Gravitationslinseneffekt tritt auf, wenn das Licht eines weit entfernten Sterns auf dem Weg zur Erde abgelenkt wird - und zwar durch die Gravitationswirkung eines - von uns aus gesehen - weiter vorn liegenden Objektes. Das kann eine Galaxie sein, oder aber ein Stern wie unsere Sonne.

Weil dieses Objekt durch seine Gravitationswirkung den Raum krümmt, wird das ferne Leuchten auf dem Weg zu uns ein wenig abgelenkt - und das sogar gleich mehrfach: Das Licht des fernen Sterns kann nun nämlich auf mehreren Wegen zu uns auf die Erde gelangen, je nachdem welchen Weg um das Objekt herum es wählt.

Dadurch sollte sich eine Art Ring um den uns näher liegenden Himmelskörper beobachten lassen, der sogenannte Einsteinring. Dieser sieht perfekt aus, wenn die beiden Himmelsobjekte tatsächlich in einer Linie liegen. In den vergangenen 30 Jahren sind rund 70 solcher Objekte mit mächtigen Teleskopen von der Erde aus entdeckt worden, unter anderem im Zentrum unserer Milchstraße, den Magellanschen Wolken und der Andromedagalaxie. Auch Exoplaneten sind mithilfe des Gravitationslinseneffekts gefunden worden.

"Einstein wäre stolz"

Doch Sahu und seine Kollegen waren nun absichtlich auf der Suche nach dem Imperfekten. Sie wollten einen asymmetrischen Einsteinring finden, denn dann würden sie direkt die Masse des ablenkenden Objekts berechnen können. Sie sahen sich dazu 5000 bekannte Objekte am Himmel näher an und errechneten, ob sich bei ihnen in absehbarer Zeit ein Gravitationslininseneffekt zeigen könnte. Stein 2051 b erschien ihnen schließlich als interessanter Kandidat.

Und tatsächlich, sie wurden fündig. Sie beobachteten den Weißen Zwerg mit dem "Hubble"-Teleskop insgesamt achtmal zwischen Oktober 2013 und Oktober 2015. Im März 2014 kamen sich Stein 2051 b und der dahinterliegende Stern aus ihrer Sicht am nächsten, dabei ließ sich ein sogenannter Mikrolinseneffekt nachweisen - die Position des Sterns am Himmel schien sich minimal zu verschieben.

NASA/ ESA/ K. Sahu/ STScI

Einzelne "Hubble"-Beobachtungen zeigen scheinbare Bewegung

Der Einsteinring selbst war nicht stark genug, um ihn direkt zu beobachten. Doch aus dem Maß der scheinbaren Verschiebung des dahinterliegenden Sterns ließ sich die Masse des Weißen Zwerges berechnen. Er verfügt demnach über rund 68 Prozent der Masse unserer Sonne, aber nur etwa ein Prozent ihres Radius. Eine präzise Massebestimmung nur durch Licht - es ist das erste Mal, dass so eine Messung nun gelang.

Die Ergebnisse zeigen, dass Stein 2051 b vor allem eines ist: ein ganz normaler Weißer Zwerg. Der indisch-amerikanische Astronom Subrahmanyan Chandrasekhar - und parallel zu ihm auch zwei Kollegen - hatten einst eine Rechnung für die Obergrenze der Masse eines solchen Himmelsobjektes aufgestellt. Je nachdem aus welcher Materie der ursprüngliche Stern bestand, liegt sie bei 1,3 bis 1,4 Sonnenmassen - sonst endet die Sonne als Neutronenstern oder gar als Schwarzes Loch - so das Fazit im Jahr 1930.

Stein 2051 b muss solch einen Kollaps nicht fürchten. Das legen die aktuellen Messungen nahe. Der Ansatz liefere "ein neues Werkzeug, um Massen von Objekten zu bestimmen, die auf andere Art und Weise nicht einfach zu ermitteln wären", lobt Terry Oswalt von der Embry-Riddle Aeronautical University in Daytona Beach (US-Bundesstaat Florida) die Arbeit in einem "Science"-Begleitkommentar. Weiße Zwerge seien allein deswegen interessant, weil 97 Prozent aller Sterne unserer Galaxie entweder schon Weiße Zwerge seien oder am Ende ihrer kosmischen Karriere zu solchen würden.

Von einer "bedeutsamen Arbeit" spricht auch Stefan Hilbert vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching. Er war nicht an den Arbeiten von Sahu und Kollegen beteiligt und lobt: "Dies ist ein weiteres schönes Beispiel dafür, welche erstaunlichen neuen Möglichkeiten der Gravitationslinseneffekt bietet, mehr über das Geschehen in unserem Universum zu lernen."

Sein US-Kollege Oswalt sagt: "Einstein wäre stolz." Eine seiner wichtigsten Vorhersagen habe "einen sehr strengen Test" bestanden. Am Telefon verrät der Forscher noch einen weiteren Vorteil der neuen Methode: Mit Daten des Esa-Satelliten "Gaia", der eine Milliarde Sterne kartiert hat, ließen sich gezielt Kandidaten für weitere Gravitationslinseneffekte finden. So könnten in Zukunft die Massen zahlreicher weiterer Himmelskörper erstmals bestimmt werden.

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insgesamt 57 Beiträge
wolke:sieben 08.06.2017
1. Frage:
Wem oder was sollen diese Berechnungen etwas bringen, außer dass diese viel Geld verschlingen, damit die nächste Frage: wer zahlt für solche nichtsnutzigen Forschungen???
Wem oder was sollen diese Berechnungen etwas bringen, außer dass diese viel Geld verschlingen, damit die nächste Frage: wer zahlt für solche nichtsnutzigen Forschungen???
rkinfo 08.06.2017
2. Ordentliche Fleißarbeit
In der Menschheitsgeschichte war die Entwicklung von Meßverfahren immer ein bedeutendes Ereignis. Wenn man nun den Sternhimmel in weiterem Teilen vermessen kann, wäre viele weitere Vorfahren stolz.
In der Menschheitsgeschichte war die Entwicklung von Meßverfahren immer ein bedeutendes Ereignis. Wenn man nun den Sternhimmel in weiterem Teilen vermessen kann, wäre viele weitere Vorfahren stolz.
Senekah 08.06.2017
3. Wissen
@wolke:sieben Wissen ist es was uns das Ganze bringt, ein tieferes Verständnis von Raum und Zeit. Und nun zurück in die Höhle - oder hör zumindest auf moderne Elektronik zu verwenden, die wäre z.B. ohne ein Verständnis der [...]
@wolke:sieben Wissen ist es was uns das Ganze bringt, ein tieferes Verständnis von Raum und Zeit. Und nun zurück in die Höhle - oder hör zumindest auf moderne Elektronik zu verwenden, die wäre z.B. ohne ein Verständnis der Quantenmechanik schon lange nicht baubar.
jhea 08.06.2017
4. haha @1
Das was der Prof, bzw die Profs da berechnet und beobachtet haben, machen die an einem oder 2 Nachmittagen... Das kostet dann 75 Euro. Gibt es übrigens aus dem Forschungsetat der jeweiligen Länder. So und da wir nun wissen [...]
Das was der Prof, bzw die Profs da berechnet und beobachtet haben, machen die an einem oder 2 Nachmittagen... Das kostet dann 75 Euro. Gibt es übrigens aus dem Forschungsetat der jeweiligen Länder. So und da wir nun wissen was es kostet, und wer dafür aufkommt... Sicher kann der Astronom sicher was VIEEEEEL wichtigeres machen, wie zB die 'Probleme auf der Erde lösen', weil er ja auch sicher einen Doktor in Botanik hat um zu wissen wie man Weizen in der Sahara züchtet. Oder er hat keine Ahnung davon, weil Astronomie und Botanik/Chemie (falls er Dünger entwickeln sollte) nicht all zu viel miteinander zu tun haben. Aber da frag ich mich doch... Warum nehmen Sie nicht einen Spaten zur Hand und helfen den armen Leuten aus Kamerun Hirse anzubauen? Das sollen immer nur die anderen machen oder? Ich für meinen Teil bin recht froh dass die das nun können, denn wenn wir berechnen können wie schwer ein Stern ist, ist es wesentlich einfacher mal Kandidaten zu finden um die ein erdähnlicher Planet mit flüssigem Wasser kreist. Und wenn wir dann noch 'unnütze Forschung' betreiben um zB einen Sprung oder Warpantrieb zu entwickeln... nunja - dann können wir wirklich sagen - wenn wir so einen Unfug wie von dir lesen - I DO NOT WANT TO LIVE ON THIS PLANET ANYMORE!
l/d 08.06.2017
5. Ein Stern wiegt nichts!
Wiegen bzw. eine Schwere zeigen kann Masse nur dann, wenn sie von einem Gravitationsfeld nicht beschleunigt wird, sondern in diesem ruht. Wie etwa ein Stein an dem Faden einer Federwaage. Dann wiegt seine Masse etwas. Schneidet [...]
Wiegen bzw. eine Schwere zeigen kann Masse nur dann, wenn sie von einem Gravitationsfeld nicht beschleunigt wird, sondern in diesem ruht. Wie etwa ein Stein an dem Faden einer Federwaage. Dann wiegt seine Masse etwas. Schneidet man den Faden durch, wiegt er nichts mehr und beschleunigt. Masse und Gewicht sind nicht das Gleiche, Gewicht ist das Äquivalent zu einer gravitativen Beschleunigung, die sich nicht zeigen kann. Ob man diese Erscheinung im Rahmen des Konzepts einer gekrümmten Raumzeit erklärt oder im Rahmen einer newtonschen Gravitation, bleibt sich dabei im Ergebnis gleich.

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