Gravitationsrotverschiebung

Die Gravitationsrotverschiebung ist eine Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie: Licht, das aus einem starken Gravitationsfeld herausklettert, verliert Energie und seine Wellenlänge wird zu längeren (rötlicheren) Werten verschoben. Umgekehrt wird Licht, das in ein Gravitationsfeld hineinfällt, blauverschoben.

Der Effekt entsteht, weil die Zeit in der Nähe einer Masse langsamer vergeht (Gravitationszeitdilatation). Ein Photon, das von der Oberfläche eines Neutronensterns abgestrahlt wird, hat beim Eintreffen bei einem entfernten Beobachter eine messbar niedrigere Frequenz. Die Rotverschiebung z hängt vom Verhältnis der Schwarzschild-Radien ab: Für die Sonne beträgt z nur 0,000002, für einen Neutronenstern kann z Werte von 0,2 bis 0,6 erreichen, und am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs geht z gegen Unendlich.

Das Pound-Rebka-Experiment (1959) an der Harvard University war der erste direkte Nachweis: Gammastrahlung, die 22,5 Meter nach oben durch einen Turm geschickt wurde, zeigte genau die von Einstein vorhergesagte Frequenzänderung. Moderne Atomuhren können den Effekt bereits bei Höhenunterschieden von 30 Zentimetern messen.

Für die Astronomie ist die Gravitationsrotverschiebung ein Werkzeug: Die Rotverschiebung von Spektrallinien, die von der Oberfläche eines Weißen Zwergs oder Neutronensterns stammen, verrät die Stärke des dortigen Gravitationsfelds und damit die Kompaktheit des Objekts.

In Christopher Nolans Interstellar wird der verwandte Effekt der Gravitationszeitdilatation dramatisch inszeniert: Auf dem Planeten nahe dem supermassereichen Schwarzen Loch Gargantua vergehen für jede Stunde auf der Oberfläche sieben Jahre auf dem Mutterschiff im Orbit.

Gerade die Alltagstechnik macht die Gravitationsrotverschiebung greifbarer, als ihr exotischer Name vermuten lässt. Jedes Satellitennavigationssystem hängt von ihrer korrekten Berücksichtigung ab, denn die Uhren der Satelliten laufen im schwächeren Schwerefeld der Umlaufbahn messbar schneller als am Boden. Ohne diese relativistische Korrektur würden sich Positionsfehler binnen eines Tages auf viele Kilometer summieren. Inzwischen sind optische Atomuhren so präzise, dass sie den Effekt schon bei einem Höhenunterschied von wenigen Zentimetern nachweisen, was die Relativitätstheorie zu einem Werkzeug der Geodäsie macht: Aus dem Gang einer Uhr lässt sich die genaue Höhe über dem Meeresspiegel bestimmen. Für die Astronomie öffnet derselbe Effekt ein Fenster zu den kompaktesten Objekten des Universums, denn die starke Rotverschiebung des Lichts von Neutronensternen verrät unmittelbar die enorme Stärke ihres Gravitationsfeldes.