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Satelliten haben Einsteins Raumzeit-Effekt so genau wie nie zuvor gemessen
Die rotierende Erde zieht die Raumzeit messbar mit sich, und mit dem Laser Relativity Satellite 2 (LARES-2) und dem Laser Geodynamics Satellite (LAGEOS) hat ein internationales Team diesen Frame-Dragging-Effekt nun mit rund 0,2 Prozent relativer Unsicherheit bestimmt. Das ist etwa zehnmal präziser als bei früheren Tests im Sonnensystem. Die Messung bestätigt die Allgemeine Relativitätstheorie und schränkt alternative Gravitationstheorien stärker ein.
Yerevan (Armenien). Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie krümmt eine Masse die Raumzeit durch ihre Schwerkraft und zieht sie bei einer Rotation zusätzlich ein wenig mit sich. Dieser Frame-Dragging- oder Lense-Thirring-Effekt ist um die Erde extrem klein und wurde unter anderem mit früheren Satellitenexperimenten nachgewiesen, doch für eine genaue Bestimmung müssen wesentlich größere klassische Bahnstörungen zuverlässig herausgerechnet werden.
Forscher der Chinese Academy of Sciences (CAS) um Ignazio Ciufolini haben den Effekt nun mit LARES-2 und LAGEOS neu vermessen. Sie kombinierten die präzise bestimmten Satellitenbahnen mit hochgenauen Schwerefeldmodellen des Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) und der Mission GRACE Follow-On, die auch zeitliche Veränderungen der Erdanziehung abbilden. Ziel war es, den relativistischen Anteil der Bahndrehung von Einflüssen des ungleichförmigen Erdschwerefelds und der Gezeiten zu trennen.
Für die Analyse wertete das Team rund 200.000 Laserentfernungsmessungen aus, die zwischen Juli 2022 und Juni 2025 über insgesamt 1.050 Tage gesammelt wurden. LARES-2 ist eine passive Kugel mit 42 Zentimetern Durchmesser und rund 295 Kilogramm Masse, deren Retroreflektoren Laserpulse von Bodenstationen zurückwerfen. Dadurch können die Forscher selbst kleine Änderungen seiner Umlaufbahn sehr genau verfolgen.
„Dass sich dieser Effekt im Erdorbit mit solcher Genauigkeit messen lässt, zeigt, wie leistungsfähig moderne Satellitengeodäsie, präzise Bahndynamik und Erdschwerefeldmodellierung heute sind“, sagt Co-Autor Dr.-Ing. Patrick Schreiner vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung (GFZ).
Entscheidend ist die fast spiegelbildliche Geometrie der Orbits von LARES-2 und LAGEOS. Ihre Bahnneigungen ergänzen sich nahezu zu 180 Grad, wodurch sich viele klassische Störungen durch die nicht perfekte Kugelgestalt der Erde in der kombinierten Auswertung weitgehend aufheben. Der relativistische Frame-Dragging-Effekt wirkt dagegen auf beide Bahnebenen in derselben Richtung und bleibt deshalb im Summensignal erhalten.
Frame-Dragging verschiebt die Orientierung der Bahnebenen beider Satelliten jeweils nur um rund 30,7 Millibogensekunden pro Jahr, was in ihrer Entfernung vom Erdmittelpunkt einer seitlichen Verschiebung von lediglich etwa 1,8 Metern pro Jahr entspricht. Die Analyse bestätigt die von der Allgemeinen Relativitätstheorie erwartete Stärke mit einer relativen Unsicherheit von rund 0,2 Prozent und ist damit ungefähr zehnmal genauer als frühere Tests im Sonnensystem.
Die höhere Präzision verschärft zugleich die Grenzen für alternative Gravitationstheorien, die beim Frame-Dragging geringfügig andere Vorhersagen machen können. Dazu gehören beispielsweise Chern-Simons-Modelle, deren Abweichungen sich besonders über die Drehung von Bahnebenen testen lassen. Innerhalb der Messunsicherheit fanden die Forscher keine Abweichung von Einsteins Vorhersage.
Eine der größten Störquellen war die K1-Tide, eine lunisolare Erdtide, deren Einfluss auf die Bahnebenen ebenfalls eine Periode von rund 1.050 Tagen besitzt. Dadurch überlagert sie den langsam anwachsenden relativistischen Effekt fast über denselben Zeitraum wie die Messreihe. Die gemeinsame Auswertung der Satellitenbahnen trennte beide Beiträge und verbesserte zugleich die Bestimmung der modellierten K1-Tidenamplitude.
„Damit verbindet die Studie zwei Bereiche, die am GFZ eng zusammengehören: präzise Satellitenbahnbestimmung und die Beobachtung dynamischer Prozesse im System Erde. Dieselben Messunge