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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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