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Kosmische Katastrophe: Dieses Ereignis sorgt für den Härtetest von Einsteins Relativitätstheorie

Anhand von Gammastrahlenexplosionen im Universum wird Einsteins Relativitätstheorie auf den Prüfstand gestellt.
Anhand von Gammastrahlenexplosionen im Universum wird Einsteins Relativitätstheorie auf den Prüfstand gestellt.
Foto: imago images/StockTrek Images
Immer wieder muss sich Einsteins Relativitätstheorie einer Prüfung unterziehen. Bei einer neuen Studie halfen Gammstrahlenexplosionen die Theorie zu testen.

2019 wurde die erste Gammastrahlenexplosion, auch Gamma Ray Burst (GBR) genannt, beobachtet. Dabei wurden sehr hohe Energie freigelassen. Eine solche intensive Gammastrahlung konnte zuvor nie bei einem komischen Objekt beobachtet werden. Die GBR-Daten haben aber noch mehr zu bieten. So lässt sich auch Einsteins Relativitätstheorie mit ihnen testen.

Einsteins Relativitätstheorie auf dem Prüfstand

Bei Einsteins Relativitätsheorie handelt es sich um einen Ansatz, der erklärt, wie Masse und Energie sich im Zusammenhang mit Raum-Zeit verhalten. Daraus resultiert das Ergebnis der Schwerkraft. Immer wieder wird die Allgemeine Relativitätstheorie getestet. Geht man davon aus, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, lassen sich experimentelle Ergebnisse hervorragend vorhersagen. Auch die GBR-Daten zeigten, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist. Dennoch gehen viele Physiker davon aus, dass Einsteins Relativitätstheorie nicht die grundlegende Theorie ist. Die Quantengravitation könnte die Basis bilden.

Einige Theorien bezüglich der Quantengravitation gehen davon aus, dass die Lichtgeschwindigkeit von Energie abhängig sein könnte. Das hypothetische Phänomen nennt sich Lorentz-Invarianzverletzung (LIV). Dessen Auswirkungen seien zu gering, um gemessen zu werden. Außer sie häufen sich über einen langen Zeitraum. Eine Methode wäre, Signale aus Gammastrahlenquellen zu verwenden. Die GRBs sind kosmische Explosionen, die variable Signale aussenden. Damit bieten sie die Voraussetzungen für Test der Quantengravitation. Photonen mit höherer Energie sollen stärker von den Effekten der Quantengravitation beeinflusst werden. Sie reisen Miliarden Jahre bis sie die Erde erreichen.

Ein theoretisches Modell machte die Ergebnisse anschaulich

Am 14. Januar 2019 konnte das MAGIC-Teleskop GRBs auffangen, die im Teraelektronvolt-Energie (TeV) lagen. Damit sind sie 1.000 Milliarden Mal energetischer als das sichtbare Licht. Somit wurden die mit Abstand ernergiereichsten Photonen gemessen. Diese Daten gaben Aufschlüsse über die Natur dieser energiereichen Strahlung. Zuvor war eine solche Analyse nicht möglich.

Ein Hindernis für die LIV-Tests gab es für die Forscher dann doch: Das aufgezeichnete Signal fiel mit der Zeit monoton ab. Normalerweise verlassen sich Astrophysiker auf eine Variation des Signals, um die Emissionszeit von Photonen zu beschränken. Monotonen Signale fehlen solche Merkmale. Ein theoretisches Modell half die erwartete Gammastrahlenemission zu beschreiben. Dies erfolgte noch, bevor die MAGIC-Teleskope mit ihren Beobachtungen begannen. In dem Modell gab es einen schnelle Anstieg des Flusses, die Spitzenemission und einen monotonen Abfall. So konnte nach LIV gesucht werden.

Strengere Tests für Einsteins Relativitätstheorie

Die Analyse, welche in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, ergab keine energieabhängige Zeitverzögerung der Ankunftszeiten der Gammastrahlen. Damit scheint Einsteins Relativitätstheorie immer noch das Rennen zu machen. Immerhin ließ sich die Skala der Quantengravitation mit der Analyse stark einschränken. Die festgelegten Grenzwerte sind vergleichbar mit den besten verfügbaren Grenzwerten, die mit GRB-Beobachtungen aktiver galaktischer Kerne erhalten wurden. Diese Studie war die erste, die sich an GRB-Signalen mit TeV-energie orientierte. Damit ist der erste Schritte für strengere Test für Einsteins Relativitätstheorie gesetzt worden.

Einsteins Relativitätstheorie steckt übrigens in diesen fünf Dingen im Alltag. Anhand von drei Sternen im Universum wurde die Allgemeine Relativitätstheorie erst kürzlich nachgewiesen.

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