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Astrophysik: Viel Wirbel um die Raumzeit

Jede Theorie ist nur so lange haltbar, bis ihre Vorhersagen durch Experimente widerlegt werden. Bei Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ist dies erstaunlich schwer.
Lageos-SatellitLaden...
Wer schon einmal einen Rosinenkuchen gebacken hat, der kennt den Effekt: Weil der Kuchenteig so zäh ist, bewegt ein Rührstab auch den Teig, der nicht direkt an ihm klebt – und damit auch die darin befindlichen Rosinen. Dass unser Heimatplanet eine ähnliche Wirkung auf seine Umgebung hat, haben die Wissenschaftler Lense und Thirring 1918 aus der von Einstein zuvor veröffentlichten Allgemeinen Relativitätstheorie geschlossen: Die Erde sollte durch ihre Eigenrotation die Raumzeit verzerren, was wiederum die Bewegung anderer Objekte in ihrer Nähe beeinflussen müsste. Da aber nun die Raumzeit kein Kuchenteig ist, ist dieser so genannte Lense-Thirring-Effekt in Erdnähe nicht allzu stark ausgeprägt.

Davon überzeugt, das Phänomen trotzdem nachweisen zu können, begannen Ignazio Ciufolini von der Universität von Lecce und Erricos Pavlis von der Universität von Maryland vor mehr als elf Jahren damit, die Flugbahnen zweier Satelliten – Lageos und Lageos 2 – genau zu beobachten. Mit Hilfe von Laser-Strahlen, die von den verspiegelten Oberflächen der Satelliten zurückgeworfen wurden, gelang es ihnen, die jeweilige Position der Flugkörper millimetergenau zu bestimmen – und das in einer Höhe von 5900 Kilometern. Die Forscher leisteten dabei eine wahre Geduldsarbeit, bis sie mit über einhundert Millionen Messungen genug Daten gesammelt hatten. Nun konnten sie die Bahnen der Satelliten rekonstruieren – hatten sich diese im Laufe der Jahre verschoben?

Gravitationsfeld der ErdeLaden...
Gravitationsfeld der Erde | Da die Masse auf der Erde nicht gleichmäßig verteilt ist, unterscheidet sich ihr Schwerefeld von dem einer perfekten Kugel.
Tatsächlich: Die Satelliten bewegen sich heute auf anderen Wegen als noch vor elf Jahren. Aber die Wissenschaftler wussten auch, dass diese Verschiebung hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass die Erde mitnichten eine Kugel ist. Sie hat eher die Form eines zusammengedrückten Gummiballs, und ihre Masse ist nicht gleichmäßig verteilt. Das hat Auswirkungen auf ihr Gravitationsfeld und beeinflusst damit auch die Flugbahnen von Satelliten.

Was für ein Glück für die Wissenschaftler, dass es die Grace-Zwillinge gibt: Diese Satelliten fliegen dicht hintereinander her und messen dabei ständig ihre Position und ihren Abstand zueinander. Alle dreißig Tage liefern sie so ein komplettes Bild des Erdschwerefelds. Mit ihren Daten konnten die Forscher nun berechnen, wie weit das unebene Gravitationsfeld Lageos und Lageos 2 in den elf Jahren der Beobachtung von ihrer ursprünglichen Route abgedrängt hatte. Der spannende Moment war da: Sind die beiden Satelliten weiter gewandert, als es diese Berechnungen vorhersagen würden?

Die Erwartungen der Wissenschaftler wurden erfüllt: Etwa um zwei Meter mehr pro Jahr hatten sich die Flugbahnen verschoben. Diese Bewegung kann nur noch auf die verwirbelte Raumzeit zurückgeführt werden, sind Ignazio Ciufolini und Erricos Pavlis überzeugt. Und der gemessene Wert stimmt auch zu 99 Prozent mit dem überein, der von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wird – die erste direkte Messung des Lense-Thirring-Effekts scheint geglückt!

Die Forscher räumen dabei allerdings ein, dass der von ihnen ermittelte Wert um bis zu zehn Prozent falsch sein könnte, wenn sie eventuell noch unbekannte Fehlerquellen berücksichtigen. Trotzdem könnte ihre Messung dem nächsten großen Satellitenprojekt die Schau stehlen: Seit April dieses Jahres umkreist Gravity Probe B unseren Planeten. In dem Projekt wird die Verzerrung der Raumzeit an ihrem Einfluss auf die Achsenlage von speziellen Kreiseln beobachtet. Die bald erwarteten Ergebnisse sollen mit einem Fehler von nur etwa einem Prozent dann weitaus genauer sein.
23.10.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 23.10.2004

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