Ein internationales Forscherteam hat den von Albert Einstein vorhergesagten Frame-Dragging-Effekt mit einer noch nie dagewesenen Präzision nachgewiesen. Die im Fachmagazin Nature veröffentlichte Studie zeigt, dass sich die Raumzeit-Verdrehung durch die rotierende Erde mit einer relativen Unsicherheit von nur 0,2 Prozent messen lässt – eine fast zehnfache Verbesserung gegenüber früheren Tests in unserem Sonnensystem. Ermöglicht wurde dieser Durchbruch durch jahrelange Laserentfernungsmessungen zu zwei passiven Satelliten.
Was der Frame-Dragging-Effekt mit einem Honigglas gemeinsam hat
Der Frame-Dragging-Effekt, auch Lense-Thirring-Effekt genannt, beschreibt ein Phänomen der Allgemeinen Relativitätstheorie: Eine rotierende Masse zieht die umgebende Raumzeit in ihre Drehrichtung mit. Stellen Sie sich einen Löffel vor, der sich in einem Glas mit zähem Honig dreht – die klebrige Masse wird ebenfalls in Bewegung versetzt. Genau dieser Vorgang findet im Erdorbit statt.
Die rotierende Erde zerrt das unsichtbare Gefüge der Raumzeit in ihre Rotationsrichtung. Für Satelliten in der Umlaufbahn bedeutet dies eine langsame, aber stetige Verschiebung ihrer Bahnebene im Vergleich zu dem, was die klassische Physik vorhersagen würde. Dieser Einfluss ist in Erdnähe extrem schwach, wird jedoch durch die Auswertung langfristiger Datenreihen über Jahre hinweg messbar. Das Team um Ignazio Ciufolini von der Universität La Sapienza in Rom wertete dafür rund 200.000 Einzelmessungen aus einem Zeitraum von über 1.000 Tagen zwischen Juli 2022 und Juni 2025 aus.
LARES-2 und LAGEOS: Perfekte Werkzeuge für ein Einstein-Experiment
Für das Experiment nutzte die Forschungsgruppe die geodätischen Satelliten LARES-2 und LAGEOS, die die Erde in etwa 5.900 Kilometern Höhe umkreisen. Beide sind 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.
Während der von der NASA entwickelte LAGEOS bereits seit 1976 im Erdorbit kreist, startete LARES-2 erst 2022 ins All. Der neuere italienische Satellit besticht durch eine außergewöhnliche Dichte: Mit einem Durchmesser von nur 42 Zentimetern und einem Gewicht von knapp 300 Kilogramm wurde er aus einem einzigen massiven Block einer extrem dichten Nickellegierung gefertigt. 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 Messungen von LARES-2 erlaubte es, den winzigen relativistischen Effekt sauber zu isolieren.
Warum das Erdschwerefeld die Messung zur Geduldsprobe machte
Die Erde ist keine perfekte Kugel, und ihr ungleichmäßiges Schwerefeld stört die Flugbahnen von Satelliten kontinuierlich. Um diese klassischen, durch die asymmetrische Erdform bedingten Bahnstörungen mathematisch herauszurechnen, fliegen LARES-2 und LAGEOS auf nahezu spiegelbildlich zur Äquatorebene geneigten Bahnen. Diese spezielle Konfiguration eliminierte die gravierendsten statischen Störfaktoren, reichte aber nicht aus, um auch zeitlich veränderliche Einflüsse auszugleichen.
Die größte verbliebene Hürde 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 so direkt die Satellitenbahnen. Das eigentliche Problem für die Wissenschaftler war der zeitliche Rhythmus dieser Störung: Die K1-Tide vollzieht ihren Zyklus und ihre Auswirkung auf die Bahnebenen in einer Periode von exakt 1.050 Tagen. Da das Team 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 spielte dabei eine entscheidende Rolle. Der Wissenschaftler Patrick Schreiner steuerte die entscheidenden Modelle zur genauen Bestimmung des Schwerefelds bei. Erst dadurch konnte das Team das gesuchte relativistische Signal am Ende sauber isolieren.
Was die Rekordmessung für alternative Gravitationstheorien bedeutet
Die Präzision der aktuellen Messungen bestätigt nicht nur Einsteins Theorien, sondern schränkt zugleich alternative Gravitationstheorien massiv 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 zur beschleunigten Expansion des Universums zu klären.
Allerdings handelt es sich bei den Beobachtungen um Messungen im 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“, erklärt Schreiner das doppelte Ergebnis der Studie. Die Arbeit zeigt, dass selbst ein Jahrhundert nach Einsteins revolutionären Ideen die experimentelle Überprüfung seiner Theorien noch immer neue Erkenntnisse über das Universum und unseren Planeten hervorbringt.
