Frame-Dragging im Erdorbit testen

Ein internationales Forschungsteam hat mithilfe hochpräziser Laserentfernungsmessungen zu Satelliten einen zentralen Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie so genau wie nie zuvor im Erdorbit vermessen. LARES-2 ermöglicht gemeinsam mit dem älteren Satelliten LAGEOS eine Messung des Frame-Dragging-Effekts, der von Einsteins ART vorhergesagt wird, mit einer relativen Unsicherheit von etwa 0,2 Prozent. Damit verbessert sich die Genauigkeit gegenüber früheren Tests im Sonnensystem um ungefähr einen Faktor 10. Eine wichtige Grundlage für diese hohe Genauigkeit sind auch die hochpräzisen Schwerefeldbestimmungen der Satellitenmissionen GRACE und GRACE Follow-On. An der Studie war auch Patrick Schreiner vom GFZ beteiligt. Dass sich dieser Effekt im Erdorbit mit solcher Genauigkeit messen lässt, zeigt, wie leistungsfähig moderne Satellitengeodäsie, präzise Bahndynamik und Erdschwerefeldmodellierung heute sind. Solche Präzisionsmessungen sind nicht nur für die Überprüfung grundlegender physikalischer Prinzipien nützlich, sondern liefern auch neue Informationen über die Gezeiten der Erde und die Dynamik unseres Planeten.

Für die neue Messung nutzte das internationale Forschungsteam die geodätischen Satelliten LARES-2 (Laser Relativity Satellite 2) und LAGEOS (Laser Geodynamics Satellite), die die Erde in rund 5.900 Kilometer Höhe umkreisen. Beide sind passive, kugelförmige Satelliten, die mit Hunderten Retroreflektoren ausgestattet sind. Bodenstationen senden kurze Laserpulse zu den Satelliten, die dort reflektiert werden. Aus der Laufzeit des zurückkehrenden Lichts lässt sich ihre Entfernung mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen. Auf diese Weise werden selbst kleinste Veränderungen der Satellitenbahnen messbar.

LAGEOS ist eine Entwicklung der NASA und bereits seit 1976 im Erdorbit. LARES-2 wurde von der italienischen Raumfahrtagentur ASI entwickelt und 2022 gestartet. Der Satellit ist für solche Präzisionsexperimente besonders geeignet: Mit einem Durchmesser von 42 Zentimetern und einem Gewicht von 295 Kilogramm ist er klein, sehr schwer und besitzt ein besonders geringes Verhältnis von Oberfläche zu Masse. Dadurch wird seine Bahn nur sehr wenig durch nichtgravitative Einflüsse wie den Strahlungsdruck der Sonne beeinflusst.

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Zusammen mit LAGEOS bildet LARES-2 eine besonders geeignete Konfiguration: Die beiden Satelliten bewegen sich auf nahezu spiegelbildlich zur Äquatorebene geneigten Bahnen, deren Inklinationen sich fast zu 180 Grad ergänzen. Dadurch lassen sich viele klassische Bahnstörungen, die durch das nicht perfekt kugelförmige Schwerefeld der Erde verursacht werden, weitgehend herausrechnen. Für die präzise Modellierung des Erdschwerefelds und seiner zeitlichen Veränderungen konnte das Team auf die hochgenauen Schwerefeldbestimmungen der Satellitenmissionen GRACE und GRACE Follow-On zurückgreifen. So lässt sich das sehr kleine relativistische Signal des Frame-Dragging isolieren. Aus zwei Satellitenbahnen wird so ein präzises Messinstrument dafür, wie die rotierende Erde die Raumzeit in ihrer Umgebung mitzieht.

Wie klein der Effekt ist, zeigt ein Vergleich: Frame-Dragging verändert die Orientierung der Bahnebenen von LARES-2 und LAGEOS jeweils nur um rund 30,7 Millibogensekunden pro Jahr. Auf der Umlaufbahn der Satelliten, rund 12.300 Kilometer vom Erdmittelpunkt entfernt, entspricht diese Winkeländerung einer Strecke von nur etwa 1,8 Metern pro Jahr.

Die Studie zeigt zugleich, dass hochpräzise Tests fundamentaler Physik auch geowissenschaftliche Informationen liefern können: Eine der größten Herausforderungen der Analyse war die sogenannte K1-Tide. Dabei handelt es sich um eine lunisolare Erdtide: Die Anziehung von Mond und Sonne verformt den Erdkörper geringfügig und verschiebt Wassermassen. Dadurch verändert sich das Schwerefeld der Erde, was wiederum die Bahnen von Satelliten beeinflusst.

Für die Messung des Frame-Dragging-Effekts ist diese Tide besonders anspruchsvoll, weil ihre Wirkung auf die Bahnebenen von LARES-2 und LAGEOS eine Periode von rund 1.050 Tagen besitzt und dadurch den über diesen Zeitraum anwachsenden relativistischen Effekt überlagern kann. In der gemeinsamen Auswertung der beiden Satellitenbahnen konnte ihr Einfluss herausgelöst und zugleich eine Korrektur der modellierten K1-Tidenamplitude bestimmt werden. [GFZ / dre]