Satelliten messen die Raumzeit

Ein internationales Team von Wissenschaftler:innen hat den sogenannten Frame-Dragging-Effekt im Erdorbit mit hoher Genauigkeit vermessen. Wie in einer im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlichten Studie zu lesen ist, nutzte die Gruppe präzise Laserentfernungsmessungen zu zwei passiven Satelliten.

Dadurch ließ sich die Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein mit einer relativen Unsicherheit von etwa 0,2 Prozent bestätigen. Das entspricht einer fast zehnfachen Verbesserung im Vergleich zu früheren physikalischen Tests in unserem Sonnensystem.

Der Frame-Dragging-Effekt beschreibt den Umstand, dass eine rotierende Masse die umgebende Raumzeit mitzieht. Vergleichen lässt sich dieser Vorgang mit einem Löffel, der sich in einem Glas mit zähem Honig dreht.

Genauso wie der Löffel die klebrige Masse bei seiner Drehung um sich herum in Bewegung versetzt, zerrt auch die rotierende Erde das unsichtbare Gefüge der Raumzeit in ihre Rotationsrichtung mit. Bei einem Satelliten in der Umlaufbahn führt dieser physikalische Einfluss zu einer langsamen Verschiebung seiner Bahnebene gegenüber dem nicht-relativistischen Fall.

In der Nähe der Erde ist dieser Einfluss zwar schwach, durch die Auswertung langfristiger Satellitendaten über Jahre hinweg wird er jedoch messbar. Um diese Veränderungen aufzuspüren, wertete das Forschungsteam rund 200.000 einzelne Messungen aus einem Zeitraum von über 1.000 Tagen aus der Spanne zwischen Juli 2022 und Juni 2025 aus.

Für das Experiment griff die Gruppe auf die geodätischen Satelliten LARES-2 und LAGEOS zurück, die die Erde in rund 5.900 Kilometern Höhe umkreisen. Beide Flugkörper sind passive Kugeln, die mit Hunderten speziellen Retroreflektoren ausgestattet sind.

Weltweite Bodenstationen senden kurze Laserpulse zu diesen Reflektoren und berechnen aus der Laufzeit des zurückkehrenden Lichts die jeweilige Entfernung. Der Physiker Ignazio Ciufolini von der Universität La Sapienza im italienischen Rom leitete das Projekt als Erstautor.

Während der von der US-Raumfahrtbehörde Nasa entwickelte LAGEOS bereits seit 1976 im Erdorbit kreist, ist LARES-2 erst 2022 ins All gestartet. Der neuere italienische Satellit zeichnet sich mit einem Durchmesser von nur 42 Zentimetern und knapp 300 Kilogramm Gewicht durch eine enorme Dichte aus. Erreicht wird diese Masse, weil der Flugkörper aus einem einzigen massiven Block einer extrem dichten Nickellegierung gefertigt wurde.

Dieses extrem geringe Verhältnis von Oberfläche zu Masse bei den Flugkörpern sorgt dafür, dass nicht-gravitative Kräfte wie der Strahlungsdruck der Sonne kaum ins Gewicht fallen. Erst durch die Kombination der jahrzehntelangen Daten von LAGEOS mit den hochpräzisen neuen Messungen von LARES-2 ließ sich der winzige relativistische Effekt genau isolieren.

Die Erde ist keine perfekte Kugel, weshalb ihr ungleichmäßiges Schwerefeld die Flugbahnen von Satelliten kontinuierlich stört. Um diese klassischen, durch die asymmetrische Erdform bedingten Bahnstörungen mathematisch herauszurechnen, fliegen LARES-2 und LAGEOS auf nahezu spiegelbildlich zur Äquatorebene geneigten Bahnen.

Diese spezielle Konfiguration eliminierte zwar die gravierendsten statischen Störfaktoren aus den Rohdaten. Sie reichte aber nicht aus, um auch zeitlich veränderliche Einflüsse auszugleichen.

Eine der größten verbliebenen Hürden bei der Datenanalyse war die sogenannte K1-Tide, eine spezielle lunisolare Erdtide. Durch die Anziehungskraft von Mond und Sonne verformt sich der Erdkörper minimal, wodurch sich gewaltige Wassermassen auf unserem Planeten verschieben.

Diese ständige Masseverlagerung verändert kontinuierlich das lokale Schwerefeld der Erde und beeinflusst so direkt die Flugbahnen der beiden Satelliten. Das eigentliche Problem für die Wissenschaftler:innen war der zeitliche Rhythmus dieser dynamischen physikalischen Störung.

Die K1-Tide vollzieht ihren Zyklus und ihre Auswirkung auf die Bahnebenen der Satelliten in einer Periode von exakt 1.050 Tagen. Da das Forschungsteam seine Messdaten über denselben Zeitraum sammelte, legte sich diese zyklische Gezeitenstörung wie eine Schablone über den stetig anwachsenden Frame-Dragging-Effekt.

Um diesen dynamischen Störfaktor aus den vereinten Datenreihen beider Satelliten herauszufiltern, waren aufwendige mathematische Erdschwerefeld-Modelle nötig. An dieser Auswertung war das Potsdamer Helmholtz-Zentrum für Geoforschung beteiligt, wie die Forschungseinrichtung in einer Pressemitteilung erläutert.

Der Wissenschaftler Patrick Schreiner steuerte dort die entscheidenden Modelle zur genauen Bestimmung des Erdschwerefelds bei. Erst dadurch konnte das Team das gesuchte relativistische Signal am Ende sauber isolieren.

Die Präzision der aktuellen Messungen bestätigt nicht nur die geltende Physik, sondern schränkt zugleich alternative Gravitationstheorien ein. Ansätze wie die Chern-Simons-Gravitation sagen abweichende Werte für das Frame-Dragging voraus und müssen nun an die neuen Beobachtungsdaten angepasst werden.

Einige dieser Erklärungsmodelle werden in der modernen Kosmologie diskutiert, um offene Fragen rund um die beschleunigte Expansion des Universums zu klären. Daher prüfen die aktuellen Ergebnisse die Gravitation genau an dem Punkt, an dem sich Abweichungen von der klassischen Relativitätstheorie zeigen würden.

Dennoch handelt es sich bei den Beobachtungen um Messungen in einem vergleichsweise schwachen terrestrischen Schwerefeld. Ob Einsteins Vorhersagen in vollem Umfang auch im Umfeld von rotierenden Schwarzen Löchern exakt zutreffen, bleibt ein Gegenstand der künftigen astrophysikalischen Forschung.

Die Beteiligten gewannen durch die Kombination der Bahndaten zudem neue Erkenntnisse über die Verformung unseres eigenen Planeten. „Dieselben Messungen, die eine Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigen, liefern auch neue Informationen über Erdtiden“, erklärt Schreiner das doppelte Ergebnis der Studie.