Überall ist es relativ

17.03.2010

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie im kosmischen Maßstab bestätigt

Astrophysiker der Universität Princeton haben nach zwei Jahren Auswertung astronomischer Daten Einsteins Annahmen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie für Bereiche außerhalb des Sonnensystems bestätigt. Zuerst waren die Vorhersagen der Theorie 1919 von Arthur S. Eddington bei Merkur-Beobachtungen während einer Sonnenfinsternis verifiziert worden.

Zusammen mit sechs Kollegen der Princeton University, der Universität Zürich und der Berkely-University hat die Astrophysikerin Reinabelle Reyes ihre Forschungsergebnisse zum Thema in der Nature-Ausgabe von 11. März veröffentlicht. James Gunn, der Eugene-Higgins-Professor für Astronomie in Princeton, bei dem Reyes promoviert, betont die Wichtigkeit dieser Bestätigung für seine Disziplin: "Alle Überlegungen in der Astronomie basieren auf der Extrapolation der Allgemeinen Relativitätstheorie. Daher sollte alles getan werden um herauszufinden, ob sie auch für größere Bereiche des Weltraums Gültigkeit besitzt oder nicht." Dass dies nun gelungen sei, füge dem Fundament astronomischer Forschung einen weiteren Stein hinzu, so Gunn.

Gravitationslinse. Bild: NASA

In den vergangenen Jahren sind der Allgemeinen Relativitätstheorie verschiedene Alternativerklärungen gegenüber gestellt worden, die insbesondere in größeren kosmischen Maßstäben von Einsteins Überlegungen abweichen um der Notwendigkeit der Existenz dunkler Energie zu entgehen. Diese schwer belegbare Energieform ist vor etwa 10 Jahren in die Diskussion eingeführt worden, um das Expansionsverhalten des Universums, das Einsteins Gravitationstheorie widerspricht, zu erklären. Dunkle Energie macht demnach bis zu 70 % der Materie im Universum aus, vermehrt sich mit dessen Expansion und müsse als vorhanden angenommen werden, damit die Berechnungen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie aufgehen.

Sloan Digital Sky Survey. Bild: Fermilab

"Wir wussten, dass wir auf größere Bereiche des Weltalls und das Wachstum kleinerer Strukturen, aus denen es sich zusammensetzt, schauen müssten, um zum Ergebnis zu gelangen", so Reyes, deren Team Mess-Daten des "Sloan Digital Sky Survey"-Projektes verwandte. Dabei handelt es sich um ein von mehreren Institutionen verwendetes Teleskope für Langzeit-Beobachtungen, mit dem der Himmel nach Standort und Helligkeit mehrerer hundert Millionen Stellarobjekte kartografiert wird. Die Berechnung der Häufung weiter entfernter Galaxien, ihrer Beschleunigung und der Verzerrung dazwischenliegender Materie konnte durch die Forscher um Reyes mit Einsteins Theorie besser beschrieben werden als mit anderen Gravitationstheorien.

Die Forschergruppe beobachtete die Gravitationseffekte von Galaxien und Clustern über einen längeren Zeitraum und untersuchten dabei einen Effekt, der als schwacher Gravitationslinsen-Effekt bekannt ist. Hierbei beugt Materie (in diesem Fall Galaxien), die dem Beobachter näher ist, das Licht weiter entfernter Objekte. Der Effekt ist kaum merklich und erinnert an einen Blick durch altes Fensterglas, bei dem Objekte verzerrt dargestellt werden. Die Beobachtungsdaten sehr alter Regionen des Universums haben es den Astronomen ermöglicht, nach Gemeinsamkeiten bei solchen Verzerrungen zu suchen. Und da die Relativität verlangt, dass die Raumkrümmung auch einer Krümmung der Zeit entspricht, konnten die Forscher berechnen, ob das Licht von beiden beeinflusst wird, wie es nach der Allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wird.

Einsteins Theorie der Raumkrümmung durch Gravitation. Grafik: NASA

"Es ist das erste Mal", so Rachel Mandelbaum, ein Mitglied der Forschungsgruppe, "dass solch ein Test durchgeführt wurde. Für die nächsten Jahre sind weitere astronomische Beobachtungen hierzu geplant. Jetzt, wo wir wissen, dass der Test funktioniert, können wir ihn mit besseren Daten durchführen, die uns in Kürze zur Verfügung stehen." Die empirische Stützung der Vorhersagekraft von Einsteins Theorie kann Astronomen dabei helfen herauszufinden, ob ihre derzeitigen Modelle des Universums eine Sinn ergeben.

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