Die NASA-Illustration zeigt in einer grafischen Darstellung, wie ein Weißer Zwerg den Raum krümmt und das Licht eines Sterns hinter ihm beugt. Foto: NASA/ESA/dpa

Wie schwer sind kosmische Objekte? US-Forscher haben die Masse eines Weißen Zwergs mit Hilfe von Einsteins Relativitätstheorie berechnet. Selbst Einstein glaubte nicht daran, dass das jemals klappen könnte.

Washington/Stuttgart - Wiegen mit Licht: Mit Hilfe von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie hat ein Astronomen-Team die genaue Masse eines Weißen Zwergsterns bestimmt. Die akribische Messung mit dem „Hubble“-Weltraumteleskop liefert nicht nur eine weitere Bestätigung für Einstein, sondern beendet auch eine jahrzehntealte Kontroverse über die Masse des untersuchten Zwergsterns namens Stein 2051 B.

Und Einstein hat wieder mal Recht

Nach Einsteins Theorie lenkt ein schweres Objekt im Weltall das Licht ab. Vom Grad der Ablenkung kann man auf die Masse dieses Objekts – beispielsweise eines Sterns wie dem Weißen Zwerg Stein 2051 B – schließen. Forscher um den Astrophysiker Kailash C. Sahu vom Space Telescope Science Institute (STSci) der amerikanischen Weltraumbehörde NASA in Baltimore (US-Bundesstaat Maryland) haben ihre Beobachtungen jetzt im Fachblatt „Science“ vorgestellt.

Weißer Zwerg Stein 2051 B

Demnach beträgt die Masse diesen Weißen Zwergs mit der Katalognummer Stein 2051 B etwa zwei Drittel der Masse unserer Sonne. „Es ist, als ob man den Stern auf die Waage legen würde“, erklärt Kailash Sahu. Weiße Zwerge sind die kollabierten Überreste ausgebrannter Sterne.

Die Untersuchung stelle Astronomen ein neues Werkzeug zur Verfügung, um die Masse kosmischer Objekte zu bestimmen, heißt es in einem „Science“-Begleitkommentar.

Einsteins Welt

Der Gravitationslinsenseffekt

Massereiche Objekte wie Sterne krümmen nach Albert Einsteins Relativitätstheorie die Raumzeit und können dadurch Licht ablenken wie eine Linse. Dieser sogenannte Gravitationslinseneffekt wurde erstmals während einer Sonnenfinsternis im Jahr 1919 beobachtet. Die Position von Sternen nahe dem Rand der verdunkelten Sonne erschien damals leicht verschoben. Einstein wurde für seine Vorhersage gefeiert, ein wesentlicher Teil seines Ruhms gründet auf dieser Beobachtung.

Nicht nur die Sonne kann so die scheinbare Position entfernter Sterne verschieben, sondern auch ein anderer, näher gelegener Stern. Allerdings ist der Effekt dann sehr viel kleiner. Außerdem müssen Vordergrund- und Hintergrund-Stern zufällig genau in einer Linie stehen. Einstein selbst glaubte nicht, dass sich dieser Effekt jemals beobachten lasse, wie er 1936 selbst in „Science“ schrieb.

Von „Hubble“ entdeckt

Genau dies ist dem Team um den Physiker Kailash C. Sahu jetzt mit dem Weltraumteleskop „Hubble“ gelungen. Die Forscher konnten messen, wie sich die scheinbare Position eines 5000 Lichtjahre entfernten Sterns änderte, als der 17 Lichtjahre von der Erde entfernte Weiße Zwerg Stein 2051 B vor ihm vorüberzog. Ein Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt.

„Es ist, als ob man den Stern auf die Waage legen würde“

Die Messung beendet eine über 100 Jahre alte Kontroverse über die Masse von Stein 2051B. Der Weiße Zwerg hat einen roten Zwergstern als Begleiter. Aus der Bewegung der beiden Sterne hatten frühere Astronomen eine Masse berechnet, die eine unerwartete Zusammensetzung des Weißen Zwergs erfordert hätte.

Die neue Bestimmung der Masse deckt sich nun mit der Theorie der Weißen Zwerge. „Wir wissen jetzt, dass Stein 2051 B ganz normal ist“, betont Terry Oswalt von der Embry-Riddle-Luftfahrt-Universität in Daytona Beach (US-Staat Florida) im Fachblatt „Science“.

Sterne im Endstadium

Weiße Zwerge sind das häufigste Endstadium von Sternen. „Mindestens 97 Prozent aller Sterne, die je in unserer Galaxie entstanden sind, einschließlich unserer Sonne, werden als Weiße Zwerge enden oder sind bereits welche“, erläutert Oswalt. „Sie sagen uns etwas sowohl über unsere Zukunft als auch über unsere Vergangenheit.“

Das Ganze klingt super-kompliziert – und ist es auch!

Sterne auf der Waage – wie geht das?

Stellarer Body-Mass-Index

Die Masse des Weißen Zwergs Stein 2051 B beträgt etwa zwei Drittel der Masse unserer Sonne. Das sind umgerechnet eine Quadrilliarde 1000 Quadrillionen Tonnen – eine Zahl, bestehend aus einer 1 gefolgt von 27 Nullen.

Im Vergleich dazu lässt sich das Gewicht eines Menschen scheinbar leicht herausfinden. Man stellt sich einfach auf eine Waage. Will man zusätzlich den Body-Mass-Index berechnen – also das Körpergewicht in Relation zur Körpergröße – benötigt man noch die Größe und das Alter der jeweiligen Person.

Ein Beispiel: Ein Durchschnittsmann, 1,80 Meter groß, 75 Kilogramm schwer und 35 Jahre alt hat einen BMI von 23.1.

Gewicht und Masse

Doch ganz so einfach wie es sich anhört ist es nicht – zumindest nicht für Naturwissenschaftler. Wenn wir auf die Waage steigen, lesen wir die Skala ab und meinen unser Gewicht in Kilogramm genau zu kennen. Aus dem Blickwinkel der Physik ist das aber falsch. Denn: Kilogramm ist nicht die Einheit für Gewicht, sondern die Einheit für Masse.

Zwischen Gewicht – korrekt heißt es Gewichtskraft – und Masse besteht ein wichtiger Unterschied: Die Masse eines Körpers ist überall im Universum gleich, das Gewicht hingegen nicht. Das Gewicht – unsere Kilos auf der Waage – beschreibt, wie stark ein Körper durch die sogenannte Gravitations- oder Erdanziehungskraft nach unten gezogen wird.

Newton und die Anziehungskraft

Wenn sich ein Astronaut auf dem Mond auf eine Waage stellen würde, wäre er nur ein Sechstel so schwer wie auf der Erde. Der Grund: Auf dem Mond ist die Anziehungskraft geringer. Die Waage misst also die auf einen Körper wirkende Kraft. Und die Maßeinheit für diese Kräfte ist Newton (N).

Der Name stammt von dem britischen Physiker Isaac Newton(1642-1727). Dieser geniale Wissenschaftler fand heraus, dass sich die Gewichtskraft aus seiner Masse und der Erdbeschleunigung ergibt. 1 N ist demnach die Kraft, die ein 1 Kilogramm schwerer ruhender Körper braucht, um in 1 Sekunde auf die Geschwindigkeit von 1 Meter pro Sekunde zu beschleunigen.

Sterne wiegen?

Extrem kompliziert ist es nun, das Gewicht von Planeten, Sternen und Galaxien zu messen. Man kann sie ja schlecht auf eine Waage stellen. Nicht nur die Objekte auf der Erde werden angezogen. Die Anziehungskraft ist das grundlegende Prinzip im gesamten Weltall. Alle Körper – ob Meteorit, Planet oder Riesenstern – ziehen sich gegenseitig an.

Cavendish und die Gravitationskonstante

Wie stark diese Kraft ist, hängt von der Masse und Entfernung der Himmelsobjekte voneinander ab. Um die Anziehungskraft zwischen zwei Körpern zu berechnen, hat Newton das sogenannte Gravitationsgesetz entwickelt. Um die Masse eines Objekts zu berechnen, benötigt man die sogenannte Gravitationskonstante (G). Die Formel hierfür hat der britische Naturwissenschaftler Henry Cavendish (1731-1810) 1798 entdeckt.

Sonne, Mond und Sterne

Was Erde und Sonne auf die Waage bringen

Wie man aus diesen und anderen mathematischen Gleichungen und Konstanten (wie beispielsweise dem Radius der Umlaufbahn eines Planeten oder seiner Geschwindigkeit) die Masse eines Objekts im Weltraum in Kilogramm berechnet, ist äußerst komplex. Jedenfalls lässt sich mit Hilfe der Gravitationsformeln die Masse der Erde, der Sonne, des Jupiters, ja selbst des Universums messen.

Die Masse der Erde beträgt 5,975 x 10 hoch 24 Kilogramm (das sind eine Million Milliarden Milliarden) oder 5,975 Trilliarden Tonnen.

Damit wiegt der Blaue Planet 81 Mai mehr als der Mond, der 7,348 x 10 hoch 22 Kilogramm schwer ist.

Die Masse der Sonne beträgt 332 946 Erdmassen oder 1,9891 x 10 hoch 30 Kilogramm. Das sind 1,9891 Quadrilliarden Tonnen.

So viel wiegt das Universum

Wie man die Masse von weit entfernten Sternen berechnet, ist noch weit schwieriger. Die meisten Sterne im Weltall haben eine Masse zwischen 0,1 und 10 Sonnenmassen. Einzelne Sterne kommen sogar auf eine 150-fache Sonnenmasse. Astronomen berechnen deren Masse unter anderem anhand der Daten ihrer Umlaufbahnen und der Spektren des Sternenlichts. So lässt sich auch die Masse von Schwarzen Löchern berechnen – und des Universums.

Gemäß einer Formel, die die beiden deutschen Physiker Hans Jörg Fahr und Michael Heyl entwickelt haben, ist das Universum derzeit schätzungsweise 10 hoch 54 (das sind eine Million Quadrillionen Quadrillionen oder 1000 Oktilliarden oder eine Nonillion) Kilogramm schwer.

So groß ist das Weltall

Der US-Physiker Neil J. Cornish von der Montana State University hat sich die Mühe gemacht, einmal zu berechnen, wie groß das Weltall ist – oder zumindest in der Theorie sein könnte. Die astronomische Maßeinheit, die hierbei verwendet wird, nennt sich Parsec. 1 Parsec beträgt 3,26 Lichtjahre.

Das Licht legt in der Sekunde ungefähr die Strecke Erde-Mond zurück. Eine Lichtsekunde entspricht folglich rund 300 000 Kilometern – das sind 9,46 Billionen Kilometer pro Erdenjahr oder 9,46 Billiarden Meter.

1 Parsec sind folglich 30 857 000 000 000 (knapp 31 Billionen) Kilometer. Ein Megaparsec wiederum sind eine Million Parsec. Physiker Cornish ist bei seinen Berechnungen für die Größe des Universums auf einen Wert von 24 Megaparsec oder 78 Milliarden Lichtjahren gekommen. Das sind knapp 738 Trilliarden Meter.

Wie gesagt: Das Ganze ist super-kompliziert!

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