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Kosmische Explosion bestätigt Allgemeine Re­la­ti­vi­täts­theo­rie

Inter­natio­nales For­schungs­team findet Bestätigung für Einsteins Theorie

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Zwei große Teleskope auf einer Bergkuppe vor einem Abendhimmel. © Giovanni Ceribella​/​MAGIC Collaboration
Das MAGIC-Te­les­kop­sys­tem am Roque de los Muchachos Ob­ser­va­tory, La Palma, Kanarische Inseln.

Im Jahr 2019 entdeckten die MAGIC-Teleskope den ersten Gam­ma­strah­len­aus­bruch bei sehr hohen Energien. Diese Beobachtung lieferte grund­le­gen­de Erkennt­nisse zu den phy­si­ka­lischen Prozessen, die bei diesen katastrophenartigen kos­misch­en Explosionen ablaufen. Doch die Daten hatten noch mehr zu bieten: Mit weiteren Analysen konnte das Team, in dem auch Wis­sen­schaft­ler­in­nen und Wis­sen­schaft­ler der TU Dort­mund mitwirken, nun bestätigen, dass die Licht­ge­schwin­dig­keit im Vakuum konstant ist und nicht von der Energie abhängt. Wie viele andere ex­peri­men­telle Tests bestätigen damit auch die Daten der Sternenexplosion Albert Einsteins Allgemeine Re­la­ti­vi­täts­theo­rie. Die Studie ist jetzt im renommierten Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht worden.

Einsteins Allgemeine Re­la­ti­vi­täts­theo­rie ist eine Theorie, die schlüssig er­klärt, wie Masse und Energie mit der Raumzeit interagieren und ein Phänomen hervorrufen, das allgemein als Gravitation, also Schwerkraft, bekannt ist. Das Postulat, dass die Licht­ge­schwin­dig­keit unabhängig von der Energie immer gleich sei, wurde bereits mehrfach getestet. Jedes Mal stellte sich bisher heraus, dass die Theorie die experimentellen Er­geb­nisse her­vor­ragend vorhersagen kann.

Nichtsdestotrotz gibt es die Vermutung, dass die Allgemeine Re­la­ti­vi­täts­theo­rie nicht die fundamentalste Theorie ist, sondern dass es eine quantenmechanische Beschreibung der Schwerkraft geben könnte, die als Quan­ten­gra­vi­ta­tion bezeichnet wird. Einige dieser Theorien gehen davon aus, dass die Licht­ge­schwin­dig­keit ener­gie­ab­hängig sein könnte. Dieses hy­po­the­ti­sche Phänomen wird als Lorentz-Invarianz-Verletzung bezeichnet. Es wird angenommen, dass die Aus­wir­kungen – sofern denn vorhanden – jedoch zu winzig sind, um direkt nach­ge­wie­sen zu werden, es sei denn, sie akkumulieren sich über einen sehr langen Zeitraum.

Gewaltige kosmische Explosionen bieten Forschungsansatz

Wie können Forscherinnen und Forscher hier also weiterkommen? Eine Lösung ist die Verwendung von Signalen aus weit entfernten astronomischen Quellen. Gamma­strah­len­aus­brüche sind gewaltige kosmische Explosionen, die vermutlich das Ende des Lebens sehr massereicher Sterne markieren und sehr variable, extrem energiereiche Strahlung aussenden. Sie sind daher ausgezeichnete Laboratorien für ex­peri­men­telle Tests von Einsteins Allgemeiner Re­la­ti­vi­täts­theo­rie. Das Licht eines solchen Ausbruchs ist Milliarden Jahre unterwegs, bevor es die Erde erreicht, was genügend Zeit sein könnte, um auch bei kleinen Effekten der Quan­ten­gra­vi­ta­tion eine messbare Abweichung der konstanten Licht­ge­schwin­dig­keit zu erhalten.

Gamma­strah­len­aus­brüche werden beinahe täglich von Weltraumobservatorien nach­ge­wie­sen. Sie registrieren jedoch üblicher Weise niedrigere Energien als die bo­den­ge­stütz­ten Teleskope wie das MAGIC-Te­les­kop­sys­tem auf der Kanareninsel La Palma. Am 14. Januar 2019 detektierte das MAGIC-Te­les­kop­sys­tem den ersten Gam­ma­strah­len­aus­bruch im Tera­elek­tro­nen­volt-Energiebereich, eine Strahlung 1000 Milliarden Mal energiereicher als das sichtbare Licht.

Ein heller Lichtblitz am sternenreichen Nachthimmel. © Superbossa.com and Alice Donini
Künstlerische Darstellung eines Gamma­strah­len­aus­bruchs, der von MAGIC und von Satellitenobservatorien beobachtet wird.

Die Teleskope registrierten damit die bei weitem energiereichsten Photonen, die je von einem solchen Ausbruch beobachtet wurden. Natürlich wollte das MAGIC-Konsortium diese einzigartige Beobachtung auch dazu nutzen, um nach möglichen Anzeichen der Quan­ten­gra­vi­ta­tion zu suchen.

TU-Team liefert ent­schei­den­de Beiträge für in­ter­na­ti­o­na­le Kooperation

Wolfgang Rhode, Professor für Experimentelle Physik an der TU Dort­mund, sagt: „Nie zuvor wurde eine Studie zur Verletzung der Lorentz-Invarianz mit Daten eines Gamma­strah­len­aus­bruchs dieser Energie durchgeführt. Dafür mussten wir die Analysemethoden und die Detektorsimulationen stark weiterentwickeln. Genau in diesen Bereichen konnten wir mit der Expertise der Arbeitsgruppen an der TU Dort­mund ent­schei­den­de Beiträge für die in­ter­na­ti­o­na­le Kooperation leisten.“

Eine sorgfältige Analyse der Daten ergab jedoch, dass bei dem Ausbruch Gammastrahlung unterschiedlicher Energie zeitgleich auf der Erde ankam, es also keine Verzögerung in Ab­hän­gig­keit von der Wellenlänge gab. Einstein scheint auch im 21. Jahrhundert Recht zu behalten: Die Licht­ge­schwin­dig­keit scheint nicht ener­gie­ab­hängig zu sein.

„Dieses Negativergebnis bedeutet jedoch nicht, dass das MAGIC-Team bei der Suche nach der Quan­ten­gra­vi­ta­tion mit leeren Händen dasteht“, er­klärt Dominik Elsässer, an der TU Dort­mund ebenfalls an MAGIC beteiligt. „Wir waren in der Lage, den Energiebereich, ab dem es Effekte der Quan­ten­gra­vi­ta­tion geben könnte, stark ein­zu­gren­zen.“ Die in dieser Studie erhaltenen Grenzwerte sind vergleichbar mit den besten bisher verfügbaren Grenzwerten anderer Untersuchungen. Mit ihrer Studie schuf das MAGIC-Team eine Grundlage, um noch viel empfindlichere Untersuchungen durch­zu­führen, sobald ein noch weiter entfernter Gam­ma­strah­len­aus­bruch nach­ge­wie­sen wird.

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