Raumzeit auf dem Prüfstand

Das Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop sendet seit einem Jahr wissenschaftliche Daten zur Erde. Über 1000 einzelne Gammalichtquellen konnten bereits entdeckt werden. Nun berichten die beteiligten Wissenschaftler – unter ihnen der Innsbrucker Astroteilchenphysiker Olaf Reimer – in der Fachzeitschrift Nature über eine Messung, die neue Einblicke in die Struktur von Raum und Zeit geben.
Über eintausend einzelne Gammalichtquellen konnten mit dem Fermi Gammastrahlen-Weltra …
Über eintausend einzelne Gammalichtquellen konnten mit dem Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop bereits identifiziert werden. [Foto: NASA]

Die Gravitation ist eine in der Physik vieldiskutierte Wechselwirkung, die sich nicht so recht in andere physikalische Theorien einfügen will. In seiner Relativitätstheorie hatte Albert Einstein Raum und Zeit in einer einheitlichen vierdimensionalen Struktur, der Raumzeit, vereinigt, über deren Krümmung sich auch die Schwerkraft zwischen zwei Massen vermittelt. Um die Gravitation mit den anderen fundamentalen Wechselwirkungen zu versöhnen, gehen viele neue Theorien davon aus, dass diese Raumzeit bei kleinsten Längen (etwa 10-35 Meter) eine schwammige Struktur haben kann. In Konsequenz würden sich dann beispielsweise hochenergetische Gammastrahlen geringfügig langsamer fortbewegen als niederenergetisches Licht. Dies würde allerdings Einsteins Annahme widersprechen, dass jede elektromagnetische Strahlung – Radiowellen, Infrarotlicht, sichtbares Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung – sich mit der gleichen Geschwindigkeit durch ein Vakuum bewegen.

Einstein behält Recht

Das Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop und andere Satelliten haben am 10. Mai 2009 einen kurzen Gammastrahlenausbruch (GRB 090510) beobachtet, der vermutlich von der Kollision zweier Neutronensterne herrührte. Das Ereignis fand in einer 7,3 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie statt, und doch konnten die Messinstrumente auf dem Fermi-Satelliten zahlreiche Gammastrahlenphotonen dieses 2,1 Sekunden dauernden Ausbruchs einfangen. Zwei davon hatten eine deutlich unterschiedliche Energie, sie differierte um das Millionenfache. Und doch kamen die beiden Photonen nach ihrer sieben Milliarden Jahre dauernden Reise mit weniger als einer Sekunde Abstand bei der Erde an. „Diese Messung widerlegt diejenigen Theorien, welche eine lineare Abhängigkeit zwischen Energie und Lichtgeschwindigkeit vorhersagen“, sagt Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck, der seit vielen Jahren am Fermi-Projekt beteiligt ist. „Mit einer Wahrscheinlichkeit von 100 Millionen Milliarden hatten die beiden Photonen die gleiche Geschwindigkeit“, betont Reimer, „Einsteins Relativitätstheorie bleibt also unangetastet.“

Zahlreiche Erfolge

Mit den Instrumenten an Bord des 4,5 Tonnen schweren Satelliten konnten in nur einem Jahr zahlreiche neue Rekorde in der Gammaastronomie aufgestellt werden. Bei dem oben erwähnten Gammastrahlenausbruch wurde Materie mit einer Geschwindigkeit von 99.99995 Prozent der Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen, die schnellste bisher beobachtete Bewegung. Auch die Gammastrahlung mit der höchsten je beobachteten Energie (33.4 Milliarden Elektronenvolt oder die 13 milliardenfache Energie des sichtbaren Lichts) wurde im September bei einem weiteren Ausbruch gemessen (GRB 090902B). Ein anderes Ereignis (GRB 080916C) produzierte die höchste je gemessene Gesamtenergie: das 9000-fache einer typischen Supernova.  „Das Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop ist jetzt seit mehr als einem Jahr in Betrieb“, erzählt Olaf Reimer. „Es durchsucht alle drei Stunden den gesamten Himmel mit einer in diesem Wellenlängenbereich unerreichten Auflösung und Empfindlichkeit. Wir erhalten ein immer detailliertes Bild des Universums. So haben wir bereits über eintausend Gammastrahlenquellen entdeckt, das sind fünfmal mehr als wir bisher kannten“, so Olaf Reimer.

(cf)