Universalität des freien Falls

Um das Jahr 1600 führten Experi­mente von Galileo Galilei zu dem Schluss, dass alle Objekte im Gravitations­feld der Erde unabhängig von ihrer Masse und Zusammen­setzung die gleiche Beschleu­nigung erfahren. Später hat Isaak Newton Pendel­experimente mit unter­schiedlichen Materialien durchgeführt und konnte mit einer Genauig­keit von 1:1000 die Univer­salität des freien Falls aufzeigen, dass also alle Körper im freien Fall gleich beschleu­nigt werden. Erst kürzlich konnte dies mit dem Satelliten­experiment Micro­scope sogar mit einer Genauigkeit von 1:100 Billionen im Gravitations­feld der Erde bestätigt werden.

Eine solche Art von Experi­menten kann allerdings die Univer­salität des freien Falls nur bzgl. normaler Materie bestätigen, wie etwa der Erde selbst, deren Zusammen­setzung von chemischen Elementen wie Eisen (32%), Sauerstoff (30%), Silizium (15%) und Magnesium (14%) dominiert wird. Auf größeren Skalen allerdings scheint normale Materie nur einen kleinen Anteil der gesamten Materie und Energie im Universum auszu­machen. Es wird angenommen, dass die Dunkle Materie rund achtzig Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht. Bis jetzt konnte Dunkle Materie aller­dings noch nicht direkt beobachtet werden. Es gibt nur indirekte Hinweise auf ihre Existenz über unter­schiedliche astro­nomischen Beobach­tungen wie die Rotation von Galaxien, die Bewegungen in Galaxien­haufen sowie Gravitations­linsen. Viele Physiker nehmen an, dass Dunkle Materie sich aus noch unent­deckten sub­atomaren Teilchen zusammen­setzt.

Aus der bisher unbe­kannten Zusammen­setzung der Dunklen Materie erwächst eine weitere wichtige Frage. Stellt die Gravi­tation die einzige Wechsel­wirkung mit großer Reichweite zwischen normaler Materie und Dunkler Materie dar? Anders gesagt, wirkt auf normale Materie nur die von der Dunklen Materie verur­sachte Krümmung der Raumzeit, oder gibt es noch eine weitere Kraft, die normale Materie in Richtung der Dunklen Materie zieht oder sogar abstößt und die Gesamt­anziehung zwischen normaler Materie und Dunkler Materie ver­ringert? Dies würde eine Ver­letzung der Univer­salität des freien Falls in Bezug auf Dunkle Materie bedeuten. Eine solche hypo­thetische Wechsel­wirkung wird manchmal auch als „fünfte Kraft“ bezeichnet, neben den vier bekannten funda­mentalen Wechsel­wirkungen in der Natur.

Durch eine ganze Reihe von Experi­menten gibt es deutliche Einschrän­kungen für eine solche fünfte Kraft, die durch Dunkle Materie bewirkt wird. Eines der Schlüssel­experimente dazu nutzt die Bahn­bewegung des Mondes um die Erde und überprüft sie in Hinblick auf eine anomale Beschleunigung in Richtung des galak­tischen Zentrums, d.h. des Zentrums des sphärischen Halos von Dunkler Materie in unserer Milchstraße. Die extrem hohe Genauig­keit dieses Experi­ments basiert auf dem „Lunar Laser Ranging“, wobei der Abstand zum Mond durch die Reflektion von Laser­signalen an Retro­reflektoren, die auf der Mond­oberfläche instal­liert sind, auf Zentimeter genau vermessen wird.

Bis heute hat allerdings niemand die Existenz einer solchen fünften Kraft mit Hilfe so exotischer Objekte wie Neutronen­sternen getestet. „Es gibt gleich zwei Gründe dafür, dass Pulsare in Doppelstern­systemen uns einen völlig neuen Weg zeigen, die Existenz einer solchen fünften Kraft in der Wechsel­wirkung zwischen normaler Materie und Dunkler Materie zu testen”, sagt Lijing Shao vom Bonner Max-Planck-Institut für Radio­astronomie (MPIfR). „Zum einen besteht ein Neutronen­stern aus Materie, die nicht im Labor erzeugt werden kann, viele Male dichter als ein Atomkern und nahezu komplett aus Neutronen aufgebaut. Und zum anderen ist es das gewaltige Gravitations­feld im Inneren des Neutronen­sterns, Milliarden mal stärker als das der Sonne, das prinzi­piell eine deutliche Verstärkung der Wechsel­wirkung mit der Dunklen Materie bewirken könnte.”

Die Umlaufbahn eines Binär­pulsars kann über die Messung der Ankunfts­zeit der Pulsar­signale mit Radio­teleskopen mit extrem hoher Genauig­keit vermessen werden. Für einige Pulsare wird dabei eine Genauigkeit von unter 100 Nano­sekunden erreicht; das entspricht einer Bestimmung der Pulsar­umlaufbahn mit einer Genauig­keit von unter 30 Metern. Um die Univer­salität des freien Falls in Bezug auf Dunkle Materie zu überprüfen, hat das Forscherteam einen hervor­ragend geeigneten Pulsar in einem Doppelstern­system herausgesucht, der die Katalog­bezeichnung PSR J1713+0747 trägt und rund 3800 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Es handelt sich dabei um einen Millisekunden­pulsar mit einer Rotations­periode von nur 4,6 Milli­sekunden, dazu mit einer der am stabilsten einge­haltenen Rotations­perioden unter allen bisher bekannten Pulsaren. Der Pulsar befindet sich in einer nahezu kreis­förmigen Umlaufbahn von 68 Tagen Dauer mit einem Weißen Zwerg als Begleiter.

Während Pulsar­astronomen normalerweise an sehr kompakten Doppelstern­systemen mit schneller Orbital­bewegung interessiert sind, um damit den Gültigkeits­bereich der allgemeinen Relativitäts­theorie zu testen, haben die Forscher im vorliegenden Fall genau nach dem Gegenteil, nämlich einem sich langsam bewegenden Millisekunden­pulsar in einer weiten Umlaufbahn, gesucht. Je größer die Umlaufbahn, desto empfind­licher reagiert das System auf eine Verletzung der Univer­salität des freien Falls. Wenn der Pulsar im Vergleich zum Weißen Zwerg im gemeinsamen Orbit eine unterschied­liche Beschleu­nigung im Hinblick auf Dunkle Materie erfährt, sollte sich mit der Zeit eine Deformation in der Umlaufbahn und damit eine Änderung der Exzen­trizität ergeben.

„Wir haben über 20 Jahre hoch­präziser Timing­beobachtungen für dieses System, sowohl mit Effelsberg und anderen Radio­teleskopen im European Pulsar Timing Array wie auch mit dem nordameri­kanischen NANOGrav-Pulsar-Timing-Projekt und sie zeigen mit hoher Genauigkeit, dass es keine Änderung in der Exzen­trizität der Umlauf­bahn gibt”, erklärt Norbert Wex vom MPIfR. „Wir sehen also mit großer Deutlich­keit, dass der Neutronen­stern die gleiche Art von Anziehung in Bezug auf Dunkle Materie spürt wie in Bezug auf normale Materie.”

„Um diese Tests noch zu verbessern, sind wir weiterhin auf der Suche nach geeig­neten Pulsaren in Bereichen, in denen wir große Ansamm­lungen von Dunkler Materie erwarten”, sagt Michael Kramer, Leiter der Forschungs­abteilung Radio­astronomische Fundamental­physik. „Der ideale Ort dafür ist das Zentrum unserer Milchstraße, wo wir Beobach­tungen mit dem 100-Meter-Teleskop und weiteren Radio­teleskopen der Welt im Rahmen unseres BlackHoleCam-Projekts durchführen. Mit dem zukünf­tigen Square Kilo­metre-Array-Telescope sollten schließlich hoch­präzise Tests möglich werden.

MPifR / JOL