Ein neues Teleskop zur Erforschung von Einsteins Relativitätstheorie …

… und Objekten höchster Dichte im Universum.

Mit dem südafrikanischen MeerKAT-Teleskop führen Astronomen systematische Untersuchungen von Binärpulsaren für Tests der Gravitation durch.

Eine internationale Gruppe von Astronomen unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und der University of British Columbia (UBC) in Vancouver hat erste Ergebnisse eines groß angelegten Programms vorgestellt, bei dem Beobachtungen mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop dazu verwendet werden, die Theorien von Einstein mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu testen. Das Programm mit dem Namen „Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) und die ersten Ergebnisse werden in einem heute veröffentlichten Artikel in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ beschrieben.

Die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein gehört zu den bestuntersuchten Theorien der Physik und stellt die derzeit beste Beschreibung der Gravitation dar. Dennoch bleiben Fragen wie die nach der Natur der „Dunklen Materie“ oder der „Dunklen Energie“ unbeantwortet, und mögliche Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie werden nach wie vor untersucht. Hier bietet die Erforschung von Binärpulsaren, Sternen extrem hoher Dichte, die sowohl als kosmische Leuchttürme als auch als präzise Uhren fungieren, einzigartige Einblicke, die andere Experimente, etwa mit Gravitationswellendetektoren oder Satellitenmissionen, ergänzen.

Pulsare sind nur etwa 24 km groß und bestehen hauptsächlich aus Neutronen. Mit Massen bis etwa zweifacher Sonnenmasse sind sie die extremsten Objekte im beobachtbaren Universum. Durch die Verfolgung ihrer Bewegung um einen möglichen Begleiter, einen anderen Neutronenstern oder einen größeren „Weißen Zwerg“, den freigelegten Kern eines gewöhnlichen Sterns am Ende seines Lebens, können Radioteleskope wie MeerKAT in Südafrika ihre Position in der jeweiligen Umlaufbahn auf nur etwa 30 Meter genau bestimmen! Dies kann eine Reihe von relativistischen Effekten in der Umlaufbewegung aufdecken, wie die Emission von Gravitationswellen oder die Auswirkungen auf die Ausbreitung von Licht in ihren starken Gravitationsfeldern.

Das MeerKAT-Teleskop ist ein hervorragendes neues Radioteleskop, das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) gebaut und betrieben wird. Es bietet eine hohe Empfindlichkeit durch die Kombination der Signale von 64 einzelnen 13-m-Antennen. Im Rahmen des „Large Survey Proposals“ MeerTime, das von Prof. Matthew Bailes von der Swinburne-Universität in Australien geleitet wird, war das Projekt „Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) unter der Leitung von Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR, Bonn, und Prof. Ingrid Stairs, University of British Columbia in Kanada, das am besten bewertete Wissenschaftsprogramm, das für MeerKAT vorgeschlagen wurde. Das internationale RelBin-Team mit Kollegen aus Afrika, Australien, Europa und Nordamerika präsentiert nun die ersten Ergebnisse aus diesem Programm.

RelBin konzentriert sich in erster Linie auf die Beobachtung von relativistischen Effekten in Pulsar-Binärsystemen, um Präzisionsmessungen der Massen von Neutronensternen und Tests von Gravitationstheorien zu ermöglichen. Auch wenn detaillierte Ergebnisse erst nach vielen weiteren Monaten der Beobachtung zu erwarten sind, kann das Team bereits jetzt zeigen, dass die Beobachtungen mit MeerKAT die vorhandenen Daten von anderen Teleskopen typischerweise um einen Faktor 2-3, manchmal sogar um eine ganze Größenordnung, verbessern. Michael Kramer ist begeistert: „Die Leistung von MeerKAT ist besser als wir erwartet haben! Wir können jetzt Experimente durchführen, die mit anderen Teleskopen nicht nur etwa 10 Jahre gedauert hätten, sondern wir können sie auch viel präziser durchführen.“

Zu den untersuchten Quellen gehört das berühmte Doppelpulsar-System (Abb. 1), in dem sich zwei Pulsare in nur 2,5 Stunden umkreisen. Die Co-Leiterin des Projekts, Ingrid Stairs, erklärt: „Wir können dieses System jetzt viel genauer untersuchen. Das System ändert seine Bahnkonfiguration aufgrund relativistischer Effekte ständig, und wir können diese Effekte für Tests der allgemeinen Relativitätstheorie sehr genau verfolgen.“

RelBin ist die bisher größte Studie von relativistischen Doppelpulsaren und zielt auch darauf ab, die Zahl präzise gemessener Massen von Neutronensternen zu erhöhen. Dr. Vivek Venkatraman Krishnan, Post-Doktorand am MPIfR und Mitorganisator der Arbeit, bringt dies auf den Punkt: „Die Masse von Neutronensternen gibt Aufschluss darüber, wie dicht wir die Materie im Universum packen können. Mit MeerKAT-Beobachtungen von relativistischen Effekten in der Bewegung von Neutronensternen in Binärsystemen können wir ihre Massen mit einer Genauigkeit von etwa 1% oder besser messen und damit möglicherweise eine Reihe von Modellen, die von Kernphysikern vorgeschlagen wurden, beweisen oder ausschließen.“

Das Team von Matthew Bailes an der Swinburne University of Technology hat die Supercomputer-Infrastruktur entwickelt, die täglich fast 300 Millionen Megabyte an Input vom Teleskop verdaut und in wissenschaftlich verwertbare Daten umwandelt. „MeerKAT ist ein perfektes Beispiel für ein global umfassendes Wissenschaftsprojekt, bei dem Experten aus der ganzen Welt zusammenkommen, um ein fantastisches Instrument zu bauen, das die Einsteinschen Gesetze auf Herz und Nieren prüft“, sagt er.

Das von SARAO betriebene MeerKAT-Teleskopnetzwerk ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts, aufgebaut in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst von der Max-Planck-Gesellschaft in Zusammenarbeit mit SARAO und dem INAF in Italien um eine Anzahl zusätzlicher Reflektorantennen erweitert. Dieses Projekt unter der Bezeichnung „MeerKAT+“ wird die Fähigkeiten von MeerKAT verbessern. Das Teleskop soll später schrittweise in das Mid-Teleskop des SKAO integriert werden. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit dem verbesserten MeerKAT-Teleskop könnten bereits im Jahr 2023 beginnen, noch während der Testphase des Teleskops.

„Wir möchten unseren südafrikanischen Kollegen einfach zu ihrer großartigen Leistung gratulieren. Wir sind stolz und dankbar, dass wir das Teleskop zusammen mit unseren afrikanischen Kollegen für unsere gemeinsamen Studien nutzen können. Bleiben Sie dran für viele weitere spannende Ergebnisse!“, schließt Michael Kramer.

Hintergrundinformation

Das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskopnetzwerk ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts, das in Südafrika stehen wird. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst um weitere Parabolantennen zum Projekt „MeerKAT+“ erweitert. Das Teleskop wird später schrittweise in das SKA-Projekt integriert, dessen Bau demnächst beginnt und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit MeerKAT+ könnten bereits im Jahr 2023 beginnen, während der Testphasen des Teleskops.

MeerTIME ist ein „Large Survey Proposal“, für das MeerKAT-Teleskopnetzwerk, geleitet von der „Swinburne University of Technology“ in Zusammenarbeit mit mehreren australischen Instituten sowie INAF, der University of Manchester, dem MPIfR, dem NRAO und dem SARAO.

„Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) ist ein Wissenschaftsprogramm im Rahmen des „Large Survey Proposals“ MeerTime, zur systematischen Untersuchung von Pulsarbinärsystemen für Tests der Gravitation. Das Programm wird von Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR in Bonn, und Prof. Ingrid Stairs von der University of British Columbia (UBC) geleitet. Das internationale Forschungsteam von RelBin umfasst Wissenschaftler aus Afrika, Australien, Europa und Nordamerika.

Das Forscherteam für die Veröffentlichung umfasst Michael Kramer, Ingrid H. Stairs, Vivek Venkatraman Krishnan, Paulo C. C. Freire, Federico Abbate, Matthew Bailes, Marta Burgay, Sandra Buchner, David J. Champion, Ismaël Cognard, Tasha Gautam, Marisa Geyer, Lucas Guillemot, Huanchen Hu, Gemma Janssen, Marcus E. Lower, Aditya Parthasarathy, Andrea Possenti, Scott Ransom, Daniel J. Reardon, Alessandro Ridolfi, Maciej Serylak, Ryan M. Shannon, Renée Spiewak, Gilles Theureau, Willem van Straten, Norbert Wex, Lucy S. Oswald, Bettina Posselt, Charlotte Sobey, Ewan D. Barr, Fernando Camilo, Benjamin Hugo, Andrew Jameson, Simon Johnston, Aris Karastergio, Michael Keith und Stefan Osłowski. Elf der Autoren (Kramer, Venkatraman Krishnan, Freire, Abbate, Champion, Gautam, Hu, Parthasarathy, Ridolfi, Wex and Barr) haben eine Affiliation mit dem MPIfR.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Michael Kramer
Direktor und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Phone: +49 228 525-299 (Sekretariat)
Email: mkramer@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Vivek Venkataraman Krishnan
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-505
E-mail: vkrishnan@mpifr-bonn.mpg.de

Originalpublikation:

The Relativistic Binary Programme on MeerKAT: Science objectives and first results, M. Kramer et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), Volume 504, Issue 2, June 2021, Pages 2094–2114. DOI: doi.org/10.1093/mnras/stab375

https://academic.oup.com/mnras/advance-article/doi/10.1093/mnras/stab375/6136263

arXiv Preprint: http://de.arxiv.org/abs/2102.05160

Weitere Informationen:

https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2021/7