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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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