Kapitel 7: Experimentelle Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie

In den vorherigen Kapiteln haben wir gesehen, wie Einsteins allgemeine Relativitätstheorie unser Verständnis von Gravitation, Raum und Zeit radikal verändert hat. Die Theorie macht eine Reihe von bemerkenswerten Vorhersagen, die sich von der newtonschen Gravitation unterscheiden, wie die Ablenkung von Sternenlicht durch die Sonne, die Präzession der Umlaufbahn von Merkur und die gravitative Rotverschiebung des Lichts. In diesem Kapitel werden wir diese Vorhersagen im Detail untersuchen und die über die letzten Jahrzehnte gesammelten Beobachtungsnachweise zur Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie betrachten. Wir werden mit den drei "klassischen Tests" beginnen, die von Einstein selbst vorgeschlagen wurden, und uns dann moderneren Tests widmen, die Phänomene wie gravitative Linseneffekte, Gravitationswellen und Schwarze Löcher beinhalten. Wie wir sehen werden, hat die Allgemeine Relativitätstheorie jede Prüfung mit Bravour bestanden und ihren Platz als unsere bisher beste Gravitationstheorie gefestigt.

Die drei klassischen Tests

Kurz nachdem Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie im Jahr 1915 veröffentlichte, schlug er drei Beobachtungstests vor, die die Theorie bestätigen oder widerlegen könnten. Diese Tests, die als "klassische Tests" der Allgemeinen Relativitätstheorie bekannt wurden, waren:

1. Die Präzession des Perihels von Merkur
2. Die Ablenkung von Sternenlicht durch die Sonne
3. Die gravitative Rotverschiebung des Lichts

Schauen wir uns diese Tests nacheinander genauer an.

Die Präzession des Perihels von Merkur

Der Planet Merkur hat eine stark elliptische Umlaufbahn um die Sonne, bei der sich der kleinste Abstand (Perihel) bei jedem Umlauf um einen kleinen Betrag verändert (präzediert). Nach der newtonschen Gravitationstheorie sollte diese Präzession vollständig durch die gravitativen Wechselwirkungen der anderen Planeten erklärt werden können. Jedoch zeigten genaue Beobachtungen im späten 19. Jahrhundert eine kleine Abweichung: Das Perihel von Merkur verschob sich um etwa 43 Bogensekunden pro Jahrhundert mehr als von Newtons Theorie vorhergesagt.

Dieses Rätsel hatte Astronomen jahrzehntelang verwirrt, und einige hatten sogar die Existenz eines unsichtbaren Planeten ("Vulkan") in der Nähe der Sonne vorgeschlagen, um es zu erklären. Doch im Jahr 1915 zeigte Einstein, dass seine Allgemeine Relativitätstheorie die zusätzliche Präzession von Merkur natürlich erklärt. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie führt die Krümmung von Raumzeit um die Sonne dazu, dass Merkurs Umlaufbahn um weitere 43 Bogensekunden pro Jahrhundert präzediert, in perfekter Übereinstimmung mit Beobachtungen.

Dies war ein großer Erfolg für Einsteins Theorie. Sie erklärte ein langjähriges Rätsel und lieferte überzeugende Hinweise auf die Existenz von Raumzeitkrümmung. Heute wird die Präzession des Perihels von Merkur als einer der wichtigsten Beobachtungspfeiler der Allgemeinen Relativitätstheorie angesehen.

Die Ablenkung von Sternenlicht durch die Sonne

Eine weitere Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie besagt, dass Licht von gravitativen Feldern abgelenkt werden sollte. Gemäß der Theorie sollte ein Strahl Sternenlicht, der in der Nähe der Sonne vorbeigeht, um einen kleinen Winkel abgelenkt werden, wobei die Ablenkung doppelt so groß ist wie das, was die Newtonsche Gravitationstheorie vorhersagen würde.

Einstein erkannte, dass dieser Effekt während einer totalen Sonnenfinsternis getestet werden könnte, wenn Sterne in der Nähe der Sonne am verdunkelten Tageshimmel sichtbar werden. Indem man die scheinbaren Positionen der Sterne während der Finsternis mit ihren normalen Positionen in der Nacht vergleicht, können Astronomen die Ablenkung messen und feststellen, ob sie mit der Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmt.

Der erste Versuch, diesen Effekt zu messen, wurde während der totalen Sonnenfinsternis von 1919 unternommen, von zwei Expeditionen unter der Leitung des britischen Astronomen Arthur Eddington. Ein Team reiste zur Insel Príncipe vor der Küste Afrikas, während das andere nach Sobral, Brasilien, ging. Trotz der Herausforderungen durch Wetter und Ausrüstung gelang es beiden Teams, die Finsternis zu fotografieren und die Positionen der Sterne zu messen.

Als die Ergebnisse analysiert wurden, zeigten sie, dass Sternenlicht tatsächlich von der Sonne abgelenkt wird, mit einer Stärke, die Engsteins Vorhersage nahe kam. Die Nachricht machte weltweit Schlagzeilen und katapultierte Einstein zu internationalem Ruhm. Die Ablenkung von Sternenlicht durch die Sonne wurde als beeindruckende Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Existenz von gekrümmter Raumzeit angesehen.

Seit 1919 wurde der Test der Lichtablenkung viele Male wiederholt, mit zunehmender Genauigkeit, sowohl mit Radioteleskopen als auch mit optischen. Die bisher genauesten Messungen, durchgeführt mit sehr langen-Basen-Interferometrie (VLBI), haben die Allgemeine Relativitätstheorie auf einen Wert von 0,02% genau bestätigt.

Die gravitative Rotverschiebung des Lichts

Der dritte klassische Test der Allgemeinen Relativitätstheorie befasst sich mit der gravitativen Rotverschiebung des Lichts. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie sollte Licht, das in einem gravitativen Feld abgestrahlt wird, eine Rotverschiebung aufweisen (d.h. seine Wellenlänge sollte größer werden), wenn es aus dem gravitativen Potentialbrunnen aufsteigt. Je stärker das gravitative Feld, desto größer die Rotverschiebung.

Einstein schlug vor, dass dieser Effekt mit spektralen Linien von der Sonne gemessen werden könnte. Das von Atomen in der Sonnenatmosphäre abgegebene Licht sollte im Vergleich zu den gleichen Linien, die in einem Labor auf der Erde erzeugt werden, aufgrund des starken Gravitationsfelds der Sonne leicht rotverschoben sein.

Die Messung dieser gravitativen Rotverschiebung erwies sich als äußerst anspruchsvoll, aufgrund der Notwendigkeit von äußerst präziser Spektroskopie und des Vorhandenseins anderer Effekte, die spektrale Linien verschieben können (wie die Doppler-Verschiebung durch die Rotation der Sonne). Die erste erfolgreiche Messung wurde 1925 von Walter Adams durchgeführt, der ein Spektrograph am 100-Zoll-Teleskop am Mount Wilson Observatory verwendete. Adams fand eine gravitative Rotverschiebung, die mit Einsteins Vorhersage übereinstimmte, wenn auch mit einer recht großen Unsicherheit.

Seitdem wurden präzisere Tests der gravitativen Rotverschiebung durchgeführt, unter Verwendung des Mößbauereffekts und von Atomuhren. In den 1960er Jahren maßen Robert Pound und Glen Rebka die Rotverschiebung von Gammastrahlen, die auf einem 22 Meter hohen Turm an der Harvard University auf- und abwärts reisten, und bestätigten die Allgemeine Relativitätstheorie auf einen Wert von 1%. Spätere Experimente mit raketengetragenen Wasserstoffmaseruhren haben die Rotverschiebung bis auf wenige Teile in 10^5 genau bestätigt. Die gravitative Rotverschiebung ist nicht nur ein wesentlicher Test der allgemeinen Relativitätstheorie, sondern auch von praktischer Bedeutung für GPS-Satelliten, die aufgrund der Schwerkraft der Erde eine erhebliche Rotverschiebung erfahren. Ohne Korrektur dieses Effekts wäre die GPS-Navigation täglich um mehrere Kilometer fehlerhaft.

Moderne Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie

Während die drei klassischen Tests die ersten starken Beweise für die allgemeine Relativitätstheorie lieferten, wurden seit der Veröffentlichung von Einsteins Theorie vor einem Jahrhundert viele weitere Tests entwickelt und durchgeführt. Diese modernen Tests untersuchen die Allgemeine Relativitätstheorie in neuen und extremen Regimen und nutzen fortschrittliche Technologien, von denen Einsteins Zeitalter noch nicht einmal geträumt hatte.

Gravitationslinsen

Eine der beeindruckendsten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist das Phänomen der Gravitationslinsen. Ähnlich wie eine Glaslinse Lichtstrahlen biegt, kann ein massives Objekt (wie eine Galaxie oder Galaxienhaufen) den Lichtweg einer Hintergrundquelle biegen, indem es als "Gravitationslinse" wirkt.

Es gibt drei Hauptregime der Gravitationslinsen:

1. Starke Linsen: Dies tritt auf, wenn die Linse ausreichend massiv und gut ausgerichtet ist, um mehrere Bilder, Bögen oder Ringe der Hintergrundquelle zu erzeugen. Die erste starke Linse wurde 1979 in Form von Zwillingen von Quasaren entdeckt, die tatsächlich zwei Bilder desselben Quasars waren, gelinst durch eine Vordergrundgalaxie. Hunderte von starken Linsen sind mittlerweile bekannt und sie bieten eine Möglichkeit, die Verteilung von Dunkler Materie zu kartieren und die Allgemeine Relativitätstheorie im Kiloparsec-Maßstab zu überprüfen.

2. Schwache Linsen: Dies ist ein subtilerer Effekt, der auftritt, wenn die gravitative Masse nicht stark genug ist, um multiple Bilder zu erzeugen, aber dennoch die Formen von Hintergrundgalaxien verändert. Durch statistische Analyse dieser Formveränderungen über große Himmelsbereiche können Astronomen die großskalige Struktur des Universums kartieren und die Allgemeine Relativitätstheorie auf kosmischen Skalen überprüfen. Die schwache Linsenbildung ist in den letzten Jahren zu einer Schlüsseluntersuchung der Kosmologie geworden, wobei große Surveys wie das Dark Energy Survey und das Kilo-Degree Survey immer präzisere Messungen liefern.

3. Mikrolinsen: Dies tritt auf, wenn ein kompaktes Objekt (wie ein Stern oder ein Planet) vor einem Hintergrundstern vorbeizieht und eine vorübergehende Aufhellung des letzteren durch Linseffekte verursacht. Mikrolinsen wurden zur Entdeckung von Exoplaneten und zur Untersuchung der Population von Schwarzen Löchern und anderen dunklen Objekten in unserer Galaxie verwendet. Sie bieten auch einen Test der Allgemeinen Relativitätstheorie im stellar-Skalenbereich.

Gravitationslinsen haben bisher einige der spektakulärsten Bestätigungen der Allgemeinen Relativitätstheorie geliefert. Die beobachteten Anzahl, Verteilung und Eigenschaften gelinster Systeme stimmen hervorragend mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überein und haben strenge Einschränkungen für alternative Gravitationstheorien festgelegt.

Gravitationswellen

Eine der aufregendsten Entwicklungen bei der Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie in den letzten Jahren ist die direkte Detektion von Gravitationswellen. Dabei handelt es sich um Schwingungen im Gewebe der Raumzeit selbst, die durch beschleunigte Massen erzeugt und mit Lichtgeschwindigkeit nach außen propagiert werden. Einstein hatte die Existenz von Gravitationswellen bereits 1916 vorhergesagt, zweifelte jedoch aufgrund ihrer äußerst geringen Amplitude daran, dass sie jemals nachgewiesen werden könnten.

Ein Jahrhundert später gelang es dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), die winzigen Verzerrungen der Raumzeit zu messen, die durch vorbeiziehende Gravitationswellen erzeugt werden. Die erste Messung, die im September 2015 gemacht wurde, stammte von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt. Die beobachtete Wellenform entsprach den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie mit einer Genauigkeit von wenigen Prozent, was eine beeindruckende Bestätigung der Theorie im starken Feld- und Hochgeschwindigkeitsregime darstellt.

Seitdem wurden dutzende weitere Gravitationswellenereignisse von LIGO und seinem europäischen Gegenstück Virgo detektiert. Diese umfassen Verschmelzungen von binären Schwarzen Löchern, binären Neutronensternen und sogar möglichen Verschmelzungen von Neutronensternen und Schwarzen Löchern. Jedes Ereignis stellt einen neuen Test der Allgemeinen Relativitätstheorie unter extremen Bedingungen dar, und bisher hat die Theorie mit Bravour bestanden.

Die Gravitationswellen-Astronomie hat ein ganz neues Fenster zum Universum geöffnet und ermöglicht uns, Regionen und Ereignisse zu untersuchen, die für elektromagnetische Strahlung unsichtbar sind. Sie hat auch einige der strengsten Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie geliefert und wichtige Vorhersagen wie die Existenz von Schwarzen Löchern, die Ausbreitung von Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit und den "No-Hair"-Satz (der besagt, dass Schwarze Löcher vollständig durch ihre Masse, Ladung und Drehimpuls charakterisiert sind) bestätigt.

Beobachtungsnachweise für Schwarze Löcher

Schwarze Löcher sind vielleicht die extremsten und rätselhaftesten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Dies sind Regionen der Raumzeit, in denen die Krümmung so stark wird, dass nichts, nicht einmal Licht, aus dem Ereignishorizont entkommen kann. Schwarze Löcher sind eine direkte Konsequenz der Einsteinschen Gleichungen, wurden aber viele Jahre lang eher als mathematische Kuriositäten denn als physikalische Realität betrachtet.

Heute gibt es jedoch überwältigende Beobachtungsnachweise für die Existenz von Schwarzen Löchern. Diese Nachweise stammen aus verschiedenen Untersuchungsansätzen:

1. Röntgendoppelsterne: Dies sind Systeme, in denen ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern Materie von einem Begleitstern abzieht. Wenn sich die Materie spiralförmig bewegt und sich erhitzt, emittiert sie Röntgenstrahlen, die von Teleskopen detektiert werden können. Die Eigenschaften dieser Röntgenemissionen, insbesondere die schnelle Variabilität und die hohen Energien, liefern starke Hinweise auf das Vorhandensein eines kompakten Objekts wie eines Schwarzen Lochs.

2. Supermassereiche Schwarze Löcher: Im Zentrum der meisten Galaxien, einschließlich unserer eigenen Milchstraße, befinden sich kompakte Objekte mit Massen von Millionen bis Milliarden Sonnenmassen. Diese Objekte sind zu massereich und kompakt, um durch Sternhaufen oder andere bekannte Objekte erklärt zu werden, und ihre Eigenschaften entsprechen den Erwartungen für supermassereiche Schwarze Löcher. Die besten Beweise stammen aus Beobachtungen von Sternen, die das Galaktische Zentrum umkreisen, wodurch Astronomen die Masse und Größe des zentralen Objekts mit großer Präzision messen konnten.

3. Gravitationswellen: Wie oben erwähnt, stimmen die von LIGO und Virgo detektierten Gravitationswellensignale mit den Vorhersagen für die Verschmelzung von Schwarzen Löchern überein. Die aus diesen Signalen abgeleiteten Massen, Drehungen und anderen Eigenschaften sind konsistent mit Schwarzen Löchern und inkonsistent mit anderen kompakten Objekten wie Neutronensternen.

4. Event Horizon Telescope: Im Jahr 2019 veröffentlichte die Event Horizon Telescope-Kollaboration das erste direkte Bild eines Schwarzen Lochs. Durch die Verknüpfung von Radioteleskopen auf der ganzen Welt zu einem virtuellen Teleskop von erdähnlicher Größe konnten sie den Ereignishorizont des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 auflösen. Die beobachtete Größe und Form des Schwarzen-Loch-Schattens stimmt mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überein und liefert eine beeindruckende visuelle Bestätigung der Theorie.

Die Beobachtungsbeweise für Schwarze Löcher sind mittlerweile so stark, dass ihre Existenz als nahezu sicher gilt. Sie bieten einige der extremsten Tests für die Allgemeine Relativitätstheorie und untersuchen die Theorie in Regionen mit starker Krümmung und hohen Geschwindigkeiten. Bisher hat die Allgemeine Relativitätstheorie alle diese Tests bestanden und ihre Stellung als unsere beste Gravitationstheorie weiter gefestigt.

Schlussfolgerung

Ein Jahrhundert nach ihrer Entstehung ist die Allgemeine Relativitätstheorie unsere genaueste und am besten getestete Gravitationstheorie. Von den klassischen Tests, die von Einstein vorgeschlagen wurden, bis hin zu den hochmodernen Beobachtungen von Gravitationswellen und Schwarzen Löchern wurde die Theorie immer präziser und rigoroser getestet und ist jedes Mal siegreich hervorgegangen.

Die Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie ist nicht nur ein Triumph für die Theorie selbst, sondern auch für die wissenschaftliche Methode als Ganzes. Die Allgemeine Relativitätstheorie stellte eine Reihe von mutigen, gegen den gesunden Menschenverstand stehenden Vorhersagen auf, die sich deutlich von der newtonschen Gravitation unterscheiden. Doch als diese Vorhersagen durch sorgfältig gestaltete Experimente und Beobachtungen getestet wurden, stellte sich heraus, dass sie korrekt waren. Das ist das Wesen der Wissenschaft: testbare Vorhersagen zu machen und die Natur als ultimativen Schiedsrichter der Wahrheit zu akzeptieren.

Natürlich ist keine wissenschaftliche Theorie jemals vollständig oder endgültig. Es gibt noch viele offene Fragen und ungeklärte Probleme.