Licht von Galaxienhaufen bestätigt Relativitätstheorie

Forscher haben Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie jetzt auch in großem Maßstab bestätigt. Sie wiesen nach, dass das Licht von Galaxienhaufen durch deren gewaltige Schwerkraft beeinflusst wird. Eine solche Beeinflussung, die sogenannte Gravitations-Rotverschiebung, hatte Albert Einstein in seiner Theorie vorhergesagt. Jetzt sei es erstmals gelungen, diese Rotverschiebung auch bei kosmischen Objekten weit außerhalb des Sonnensystems nachzuweisen, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature“.

Zur Überprüfung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie schlug Albert Einstein selbst drei Tests vor. Einer dieser „klassischen Tests“ ist die Gravitations-Rotverschiebung. Einsteins Theorie geht davon aus, dass das Licht eines sehr massereichen Objekts, beispielsweise eines Sterns, von der Schwerkraft dieses Objekts angezogen wird. Das Licht verliert daher Energie, während es sich aus dem Einflussbereich der Sternenschwerkraft herausbewegt. Dieser Energieverlust müsste sich durch eine leichte Verschiebung der Wellenlänge in Richtung des roten, energieärmeren Bereichs bemerkbar machen.

Effekt zuvor nur in kleinerem Maßstab nachgewiesen

Nachgewiesen wurde eine Gravitations-Rotverschiebung bereits in Laborversuchen, an der Sonne und am nahegelegenen Doppelsternsystem Sirius. Die Messung dieses Effekts an größeren und weiter entfernten Objekten scheiterte bisher an fehlenden technischen Möglichkeiten und mangelnden Daten. Da Galaxienhaufen keine einheitliche Oberfläche besitzen und sich die Galaxien im Cluster zudem ständig bewegen, wird die geringe gravitative Rotverschiebung des Lichts solcher Objekte von zahlreichen Störfaktoren überdeckt.

Die Anzahl der beobachteten Galaxien und Galaxiencluster müsse daher ausreichend groß sein, um diese überlagernden Signale herausrechnen zu können, sagen die Forscher. Für ihre Studie analysierten die Forscher daher das Licht von 7.800 Galaxienclustern. Jeder dieser Haufen besteht aus tausenden von Galaxien, zusammengehalten durch die Schwerkraft des Clusters.

Bisherige Messungen der Gravitations-Rotverschiebung im Sonnensystem und in Labors (blau) im Vergleich zur neuen Messung (rot) an Galaxienhaufen; die waagerechte Linie markiert volle Übereinstimmung zwischen Relativitätstheorie und Beobachtung, auf der x-Achse ist die Größenordnung der jeweiligen Phänomene in Parsec angegeben. © Dark Cosmology Centre, Niels Bohr Institute

Licht muss gegen Schwerkraft ankämpfen

„Wir konnten sehen, dass das Licht von Galaxien aus der Mitte dieser Haufen sozusagen durch das Schwerkraftfeld kriechen musste, während es das Licht aus den äußeren Galaxien viel einfacher hatte“, sagt Wojtak. Dieser Effekt habe sich als eine leicht erhöhte Rotverschiebung des Lichts aus der Mitte der Cluster bemerkbar gemacht. Je größer die Schwerkraft in einem dieser Galaxienhaufen, desto ausgeprägter sei auch die Rotverschiebung des Lichts aus dessen Zentrum ausgefallen.

„Die Ergebnisse machen die Gravitations-Rotverschiebung zum einzigen von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Effekt, der über 22 Größenordnungen hinweg – von 20 Metern bis hin zu Millionen von Lichtjahren – bestätigt worden ist“, schreiben die Forscher um Erstautor Radoslaw Wojtak vom Niels Bohr Institut der Universität von Kopenhagen.

Die astronomischen Beobachtungen hätten genau mit den theoretischen Berechnungen auf Basis von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereingestimmt, berichten die Wissenschaftler. Da Einstein darin von der Präsenz Dunkler Materie und Energie im All ausgegangen war, stütze ihr Ergebnis auch die Existenz dieser nicht direkt nachweisbaren Phänomene. (Nature, 2011; DOI:10.1038/nature10445)

(Nature / University of Copenhagen, 29.09.2011 – NPO)