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Neue Studie bestätigt Vorhersage aus Einsteins Relativitätstheorie

23. Oktober 2020. Mittels Beobachtungsdaten und Simulationen hat ein internationales Forschungsteam mit bisher unerreichter Genauigkeit die Rotverschiebung im Schwerefeld der Sonne bestimmt. Dieser von Einstein vorhergesagte Effekt gab Anfang der 1920er Jahre Anlass für den Bau eines Sonnenteleskops, um das Spektrum der Sonne zu messen: den Einsteinturm in Potsdam.
Neue Studie bestätigt Vorhersage aus Einsteins Relativitätstheorie

Künstlerische Darstellung der Sonne und der Erde mit der Raum-Zeit-Krümmung der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein über dem Spektrum des vom Mond reflektierten Sonnenlichts (in Farben von Blau bis Rot). Credit: Gabriel Pérez Díaz/IAC

Zwischen 1911 und 1916 veröffentlichte Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie und sagte damit beispielsweise voraus, dass sich Licht in der Nähe massereicher Objekte auf gekrümmten Bahnen bewegt. Außerdem sollten sich Spektrallinien im Schwerefeld der Sonne zu längeren Wellenlängen, also Richtung rotes Licht, verschieben. 1911 sagte Einstein für die Sonne eine theoretische Rotverschiebung von etwa zwei Millionstel der Wellenlänge vorher.

Um die Rotverschiebung zu ermitteln, nutzte nun ein vom Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) geleitetes Forschungsteam Beobachtungen des vom Mond reflektierten Sonnenspektrums. Das verwendete Instrument HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) ist mit einer Technologie für hochgenaue Wellenlängenmessung ausgestattet, für die direkte Sonnenbeobachtung jedoch nicht geeignet. Mithilfe des Spektrographen gewannen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Daten, in denen sie die Wellenlängenverschiebung von Eisenlinien mit hoher Genauigkeit messen konnten. Eisenlinien eignen sich aus zwei Gründen besonders gut für diesen Zweck: Chemische Elemente hinterlassen Spuren in Form von Linien im Spektrum von Sternen. Von Eisen gibt es viel mehr Spektrallinien als von jedem anderen Element, weshalb eine ausreichend große Anzahl ungestörter Linien für die Messung zur Verfügung steht. Zudem existieren zuverlässige Labormessungen ihrer Ruhewellenlängen, die man zur Ermittlung der Gravitationsverschiebung – also dem Unterschied zwischen der im Labor und der im Sonnenspektrum gemessenen Wellenlänge – heranziehen kann.

Neben Beobachtungsdaten kam in der Studie auch eine genaue Modellierung des Sonnenspektrums zum Einsatz, um die Wellenlängenverschiebung verschiedener Eisenlinien theoretisch vorherzusagen. Dr. Matthias Steffen vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) war an der Publikation beteiligt und analysierte, zusammen mit Kollegen aus Heidelberg und Paris, dreidimensionale Computersimulationen, die die Strömungsbewegungen und Temperaturunterschiede in der Sonnenatmosphäre vorhersagen, wobei die neuesten Simulationen auch den Einfluss von Magnetfeldern berücksichtigen.

Die im Anschluss aus diesen 3D-Modellen berechneten synthetischen Spektren zeigten, dass schwache Eisenlinien aufgrund von Strömungsbewegungen und damit einhergehenden Temperaturschwankungen in der Sonnenatmosphäre um bis zu 600 m/s blauverschoben sind. Damit wird die durch Gravitation verursachte Rotverschiebung von 633 m/s – die in der gleichen Größenordnung, aber in entgegengesetzter Richtung wirkt – fast vollständig kompensiert. Unter anderem deshalb scheiterten frühe Versuche, Einsteins Theorie mit Linienverschiebungsmessungen am Einsteinturm in Potsdam zu belegen.

Die neuen und extrem genauen Wellenlängenmessungen des Sonnenspektrums könnten in Zukunft außerdem bei der Untersuchung der Photosphäre der Sonne zum Einsatz kommen. Setzt man die theoretische Gravitationsrotverschiebung als richtig voraus, lassen sich mit den neuen Daten Struktur und Dynamik der Photosphäre besser untersuchen und verfeinerte 3D-Modelle der Strömungsprozesse auf der Sonnenoberfläche entwickeln.

 

Eines der Modelle, der zur Berechnung verwendeten synthetischen Sonnenspektren. Die Simulationen entstanden am AIP mit dem Strahlungs-Hydrodynamik Code CO5BOLD. Dunkle Bereiche sind die kühleren intergranularen Zwischenräume, die Magnetfeldstrukturen beherbergen. Credit: AIP


Wissenschaftlicher Kontakt

Dr. Matthias Steffen, 0331 7499 371, msteffen@aip.de

Pressekontakt

Franziska Gräfe, 0331 7499 802, presse@aip.de

Originalpublikation

González Hernández, J. I. et al. (2020): The solar gravitational redshift from HARPS-LFC Moon spectra. A test of the General Theory of Relativity. Astronomy & Astrophysics (in press)

DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038937

Pressemitteilung des Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)

https://www.iac.es/en/outreach/news/new-measurements-solar-spectrum-verify-einsteins-theory-general-relativity

 

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.