Ein internationales Forschungsteam hat die von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagte Verzerrung der Raumzeit durch die rotierende Erde mit bislang unerreichter Präzision nachgewiesen. Die im Fachmagazin Nature veröffentlichte Studie nutzte Laserentfernungsmessungen zu zwei passiven Satelliten, um den sogenannten Frame-Dragging-Effekt zu vermessen. Die relative Unsicherheit der Bestätigung liegt bei etwa 0,2 Prozent – eine fast zehnfache Verbesserung gegenüber früheren Tests unseres Gravitationsfelds.
Das Konzept des Frame-Dragging
Der Frame-Dragging-Effekt beschreibt, wie eine rotierende Masse das Gewebe der Raumzeit in ihre Drehrichtung mitzieht. Man kann sich das wie einen Löffel vorstellen, der in einem Glas mit zähem Honig rührt: Die klebrige Masse wird von der Bewegung des Löffels erfasst und in Rotation versetzt. Genauso zerrt die Erde an der unsichtbaren Raumzeit, sodass sich die Bahnebene eines Satelliten im Laufe der Zeit langsam verschiebt. In Erdnähe ist dieser Einfluss zwar extrem schwach, doch durch die Analyse von Satellitendaten über mehrere Jahre wird er messbar. Das Team wertete rund 200.000 Einzelmessungen aus einem Zeitraum von über 1.000 Tagen aus, die zwischen Juli 2022 und Juni 2025 gesammelt wurden.
Satelliten als präzise Instrumente
Für das Experiment griffen die Wissenschaftler auf die geodätischen Satelliten LARES-2 und LAGEOS zurück. Beide umkreisen die Erde in rund 5.900 Kilometern Höhe. Es handelt sich um passive Kugeln, die mit Hunderten speziellen Retroreflektoren bestückt sind. Weltweite Bodenstationen senden kurze Laserpulse zu diesen Reflektoren und berechnen aus der Laufzeit des zurückkehrenden Lichts die exakte Entfernung. Der Physiker Ignazio Ciufolini von der Universität La Sapienza in Rom leitete das Projekt als Erstautor.
Während der von der NASA entwickelte LAGEOS bereits seit 1976 im Orbit ist, startete LARES-2 erst 2022 ins All. Der neuere italienische Satellit hat einen Durchmesser von nur 42 Zentimetern und wiegt knapp 300 Kilogramm. Er besteht aus einem einzigen massiven Block einer extrem dichten Nickellegierung, was ihm eine enorme Dichte verleiht. Dieses extrem geringe Verhältnis von Oberfläche zu Masse sorgt dafür, dass nicht-gravitative Kräfte wie der Strahlungsdruck der Sonne kaum ins Gewicht fallen. Erst die Kombination der jahrzehntelangen Daten von LAGEOS mit den hochpräzisen neuen Messungen von LARES-2 erlaubte es, den winzigen relativistischen Effekt sauber zu isolieren.
Herausforderungen durch das Erdschwerefeld
Die Erde ist keine perfekte Kugel, und ihr ungleichmäßiges Schwerefeld stört die Flugbahnen von Satelliten kontinuierlich. Um diese klassischen, durch die asymmetrische Erdform bedingten Störungen mathematisch herauszurechnen, fliegen LARES-2 und LAGEOS auf nahezu spiegelbildlich zur Äquatorebene geneigten Bahnen. Diese spezielle Konfiguration eliminierte die gravierendsten statischen Störfaktoren aus den Rohdaten. Sie reichte jedoch nicht aus, um auch zeitlich veränderliche Einflüsse auszugleichen.
Eine der größten 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 verschieben. Diese ständige Masseverlagerung verändert kontinuierlich das lokale Schwerefeld und beeinflusst direkt die Satellitenbahnen. Das Problem für die Wissenschaftler war der zeitliche Rhythmus dieser Störung: Die K1-Tide vollzieht ihren Zyklus 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 herauszufiltern, waren aufwendige mathematische Modelle des Erdschwerefelds nötig. Das Potsdamer Helmholtz-Zentrum für Geoforschung war maßgeblich an dieser Auswertung beteiligt. 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.
Relevanz für alternative Kosmologie
Die Präzision der 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. Die aktuellen Ergebnisse prüfen die Gravitation genau an dem Punkt, an dem sich Abweichungen von der klassischen Relativitätstheorie zeigen würden.
Dennoch handelt es sich 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“, erklärte Schreiner das doppelte Ergebnis der Studie.
