Einsteins Raumzeit-Test wird noch genauer: Satelliten vermessen das Mitziehen der Erde

Die Satelliten LARES-2 und LAGEOS kreisen in etwa 5900 Kilometern Höhe um die Erde. Bodenstationen schicken Laserpulse zu den kugelförmigen, mit Reflektoren bestückten Satelliten und bestimmen aus der Länge der Lasersignale ihre Entfernung. So werden winzige Veränderungen ihrer Bahnen erfasst.

LAGEOS ist seit 1976 im All, LARES-2 kam 2022 hinzu. Der jüngere Satellit ist nur 42 Zentimeter groß, wiegt aber 295 Kilogramm. Dieses besondere Oberfläche-Masse-Verhältnis macht ihn besonders unempfindlich gegenüber störenden Einflüssen wie dem Strahlungsdruck der Sonne.

Ein winziges relativistisches Signal

Die Umlaufbahnen der Satelliten sind nahezu spiegelbildlich zur Äquatorebene geneigt. Dadurch lässt sich das unregelmäßige Erdschwerefeld herausrechnen, wofür zusätzliche Daten der Missionen GRACE und GRACE Follow-On verwendet wurden, an denen das GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung maßgeblich beteiligt ist.

Ausgewertet wurden Beobachtungen über 1050 Tage von Juli 2022 bis Juni 2025. Der Frame-Dragging-Effekt verändert die Orientierung der Bahnebenen jährlich nur um etwa 30,7 Millibogensekunden. Auf der Satellitenbahn entspricht das einer Verschiebung von ungefähr 1,8 Metern pro Jahr.

Das Ergebnis bestätigt Einsteins Vorhersage mit einer relativen Unsicherheit von rund 0,2 Prozent. Damit ist die Messung ungefähr zehnmal genauer als frühere Tests im Sonnensystem. „Dass sich dieser Effekt im Erdorbit mit solcher Genauigkeit messen lässt, zeigt, wie leistungsfähig moderne Satellitengeodäsie, präzise Bahndynamik und Erdschwerefeldmodellierung heute sind“, sagt GFZ-Forscher Dr. Patrick Schreiner.

Die Messung setzt auch engere Grenzen für alternative Gravitationstheorien, die sich in klassischen Experimenten kaum von Einsteins Theorie unterscheiden, beim Frame-Dragging aber abweichende Vorhersagen machen. Damit berührt das Ergebnis auch Fragen der modernen Kosmologie.

Geodäsie trifft Geophysik

Eine besondere Herausforderung war die K1-Tide, die durch die Anziehung von Mond und Sonne verursacht wird. Die Gezeitenwelle verformt die Erde und verschiebt die Wassermassen auf dem Planeten, wodurch das Schwerefeld verändert und wiederum die Satellitenbahnen beeinflusst werden. In der rund 1050-tägigen Beobachtungsdauer (ca. 2,9 Jahre) der Satelliten kann das relativistische Signal überlagert worden sein.

Die Forschenden konnten letztlich den Gezeiteneffekt herausrechnen und die K1-Tidenamplitude korrigieren. „Dieselben Messungen, die eine Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigen, liefern auch neue Informationen über Erdtiden und die Dynamik unseres Planeten“, erklärt Schreiner.

Das GFZ steuerte vor allem Verfahren der genauen Bahnbestimmung und das Orbitprogramm EPOS-OC bei. Die Software wird dort seit Jahrzehnten weiterentwickelt. Die Studie beweist insgesamt, dass Satellitengeodäsie – also die Vermessung der Erde mittels Satelliten – auch fundamentale Eigenschaften der Raumzeit erfassen kann.

Da LARES-2 und LAGEOS voraussichtlich noch Jahrzehnte beobachtet werden, dürfte die Genauigkeit weiter zunehmen. Zugleich eröffnen längere Messreihen neue Wege für Geodäsie, Geophysik und Gravitationstests. Die Satellitengeodäsie wird damit ein Labor für fundamentale Naturgesetze.