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.
Weißer Zwerg beugt Sternlicht (Illustration)

Weißer Zwerg beugt Sternlicht (Illustration)

Foto: NASA/ ESA/ A. Feild/ STScI

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

Foto: AP

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.

Einzelne "Hubble"-Beobachtungen zeigen scheinbare Bewegung

Einzelne "Hubble"-Beobachtungen zeigen scheinbare Bewegung

Foto: NASA/ ESA/ K. Sahu/ STScI

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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