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Von Einstein seit fast einem Jahrhundert theoretisiert, haben Physiker Beweise gefunden, die die Theorie stützen, dass sich die Schwerkraft mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Variationen in der Art und Weise, wie das Bild des Quasars gebogen wurde, waren für diese Schwerkraftgeschwindigkeit verantwortlich.
Unter Ausnutzung einer seltenen kosmischen Ausrichtung haben Wissenschaftler erstmals die Geschwindigkeit gemessen, mit der sich die Schwerkraft ausbreitet, und einer der letzten nicht gemessenen Grundkonstanten der Physik einen numerischen Wert gegeben.
"Newton dachte, dass die Schwerkraft augenblicklich war. Einstein nahm an, dass es sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegte, aber bis jetzt hatte niemand es gemessen “, sagte Sergei Kopeikin, Physiker an der Universität von Missouri-Columbia.
"Wir haben festgestellt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwerkraft der Lichtgeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von 20 Prozent entspricht", sagte Ed Fomalont, Astronom am National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Charlottesville, VA. Die Wissenschaftler präsentierten ihre Ergebnisse auf dem Treffen der American Astronomical Society in Seattle, WA.
Die wegweisende Messung ist wichtig für Physiker, die an einheitlichen Feldtheorien arbeiten, die versuchen, die Teilchenphysik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und elektromagnetischer Theorie zu kombinieren.
"Unsere Messung setzt den Theorien, die zusätzliche Dimensionen vorschlagen, wie der Superstring-Theorie und den Brane-Theorien, einige starke Grenzen", sagte Kopeikin. "Die Kenntnis der Schwerkraftgeschwindigkeit kann einen wichtigen Test für die Existenz und Kompaktheit dieser zusätzlichen Dimensionen liefern", fügte er hinzu.
Die Superstringtheorie schlägt vor, dass die fundamentalen Teilchen der Natur nicht punktförmig sind, sondern unglaublich kleine Schleifen oder Saiten, deren Eigenschaften durch verschiedene Schwingungsmodi bestimmt werden. Branes (ein Wort, das von Membranen abgeleitet ist) sind mehrdimensionale Oberflächen, und einige aktuelle physikalische Theorien schlagen Raum-Zeit-Branes vor, die in fünf Dimensionen eingebettet sind.
Die Wissenschaftler verwendeten das Very Long Baseline Array (VLBA) der National Science Foundation, ein kontinentweites Radioteleskopsystem, zusammen mit dem 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg, um eine äußerst genaue Beobachtung zu machen, als der Planet Jupiter fast vorbeikam vor einem hellen Quasar am 8. September 2002.
Die Beobachtung zeigte eine sehr leichte "Biegung" der Radiowellen, die vom Hintergrundquasar durch den Gravitationseffekt des Jupiter kommen. Die Biegung führte zu einer kleinen Änderung der scheinbaren Position des Quasars am Himmel.
"Da sich Jupiter um die Sonne bewegt, hängt das genaue Ausmaß der Biegung geringfügig von der Geschwindigkeit ab, mit der sich die Schwerkraft vom Jupiter ausbreitet", sagte Kopeikin.
Jupiter, der größte Planet im Sonnensystem, bewegt sich nur etwa einmal im Jahrzehnt nahe genug an den Weg der Radiowellen eines entsprechend hellen Quasars heran, damit eine solche Messung durchgeführt werden kann, sagten die Wissenschaftler.
Die einmal im Jahrzehnt stattfindende Himmelsausrichtung war die letzte in einer Reihe von Ereignissen, die die Messung der Schwerkraftgeschwindigkeit ermöglichten. Zu den anderen gehörten ein zufälliges Treffen der beiden Wissenschaftler im Jahr 1996, ein Durchbruch in der theoretischen Physik und die Entwicklung spezialisierter Techniken, mit denen die äußerst präzise Messung durchgeführt werden konnte.
"Niemand hatte zuvor versucht, die Schwerkraftgeschwindigkeit zu messen, da die meisten Physiker angenommen hatten, dass der einzige Weg, dies zu tun, darin besteht, Gravitationswellen zu erfassen", erinnert sich Kopeikin. 1999 erweiterte Kopeikin Einsteins Theorie jedoch um die Gravitationseffekte eines sich bewegenden Körpers auf Licht- und Radiowellen. Die Auswirkungen hingen von der Schwerkraft ab. Er erkannte, dass Jupiter seine Theorie testen konnte, wenn er sich fast vor einem Stern oder einer Radioquelle bewegte.
Kopeikin untersuchte die vorhergesagte Umlaufbahn des Jupiter für die nächsten 30 Jahre und entdeckte, dass der Riesenplanet im Jahr 2002 eng genug vor dem Quasar J0842 + 1835 vorbeiziehen würde. Er erkannte jedoch schnell, dass die Auswirkung auf die scheinbare Position des Quasars am Himmel zurückzuführen ist Die Geschwindigkeit der Schwerkraft wäre so gering, dass die einzige Beobachtungstechnik, mit der sie gemessen werden kann, die Very Long Baseline Interferometry (VLBI) ist, die in der VLBA enthaltene Technik. Anschließend kontaktierte Kopeikin Fomalont, einen führenden Experten für VLBI und einen erfahrenen VLBA-Beobachter.
"Ich erkannte sofort die Bedeutung eines Experiments, mit dem eine grundlegende Konstante der Natur erstmals gemessen werden kann", sagte Fomalont. "Ich entschied, dass wir unser Bestes geben mussten", fügte er hinzu.
Um die erforderliche Präzision zu erreichen, fügten die beiden Wissenschaftler ihrer Beobachtung das Effelsberg-Teleskop hinzu. Je größer der Abstand zwischen zwei Radioteleskopantennen ist, desto größer ist das erreichbare Auflösungsvermögen oder die Fähigkeit, feine Details zu erkennen. Die VLBA umfasst Antennen auf Hawaii, den kontinentalen Vereinigten Staaten und St. Croix in der Karibik. Eine Antenne auf der anderen Seite des Atlantiks fügte noch mehr Auflösungsvermögen hinzu.
"Wir mussten eine Messung mit etwa dreimal höherer Genauigkeit durchführen als jemals zuvor, aber wir wussten im Prinzip, dass dies möglich ist", sagte Fomalont. Die Wissenschaftler testeten und verfeinerten ihre Techniken in „Trockenläufen“ und warteten darauf, dass Jupiter vor dem Quasar vorbeikam.
Das Warten beinhaltete ein beträchtliches Nägelkauen. Geräteausfall, schlechtes Wetter oder ein elektromagnetischer Sturm auf Jupiter selbst hätten die Beobachtung sabotieren können. Das Glück hielt jedoch an und die Beobachtungen der Wissenschaftler bei einer Funkfrequenz von 8 GigaHertz lieferten genügend gute Daten, um ihre Messung durchzuführen. Sie erreichten eine Präzision, die der Breite eines menschlichen Haares aus 250 Meilen Entfernung entspricht.
„Unser Hauptziel war es, eine unendliche Geschwindigkeit für die Schwerkraft auszuschließen, und wir haben es noch besser gemacht. Wir wissen jetzt, dass die Schwerkraftgeschwindigkeit wahrscheinlich der Lichtgeschwindigkeit entspricht, und wir können sicher jede Schwerkraftgeschwindigkeit ausschließen, die doppelt so hoch ist wie die des Lichts “, sagte Fomalont.
Die meisten Wissenschaftler, sagte Kopeikin, werden erleichtert sein, dass die Schwerkraft mit der Lichtgeschwindigkeit übereinstimmt. „Ich glaube, dieses Experiment wirft ein neues Licht auf die Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie und ist die erste von vielen weiteren Studien und Beobachtungen der Gravitation, die derzeit aufgrund der enorm hohen Präzision des VLBI möglich sind. Wir müssen noch viel mehr über diese faszinierende kosmische Kraft und ihre Beziehung zu den anderen Kräften in der Natur lernen “, sagte Kopeikin.
Dies ist nicht das erste Mal, dass Jupiter eine Rolle bei der Messung einer fundamentalen physikalischen Konstante spielt. 1675 machte Olaf Roemer, ein dänischer Astronom, der am Pariser Observatorium arbeitete, die erste einigermaßen genaue Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit, indem er die Sonnenfinsternisse eines der Jupitermonde beobachtete.
Originalquelle: NRAO-Pressemitteilung
