Allgemeine Relativitätstheorie: Satellitenbahnen durch Raumzeitverzerrung beeinflusst
Eine Studie unter Beteiligung des Helmholtz-Zentrums für Geoforschung (GFZ)(öffnet im neuen Fenster) und mit Nobelpreisträger Roger Penrose als verantwortlichem Autor zeigt, wie Satellitenbahnen sich langsam verschieben gegenüber der klassischen, nicht-relativistischen Bahnbewegung. Der Grund dafür ist eine Vorhersage, die auf der allgemeinen Relativitätstheorie beruht.
Demnach zieht jede rotierende Masse die sie umgebende Raumzeit ein wenig mit, so dass der Einfluss der Gravitation auf die Satellitenbahnen nicht klassisch berechnet werden kann, sondern mit Methoden der relativistischen Astrophysik.
Nachgewiesen werden konnte der Effekt, der rund um die Erde wegen ihrer vergleichsweise geringen Masse nur schwach ausgeprägt ist, mit zwei passiven Satelliten, die sich in einem Orbit 5.900 km über der Erdoberfläche befinden.
Kombination mehrerer Präzisionsmessungen
Der Satellit Lageos befindet sich bereits seit 1976 im Erdorbit. 2022 wurde mit Lares-2 ein zweiter Satellit auf eine spiegelbildliche Bahn geschickt. Auf diese Weise können die Einflüsse des unregelmäßigen Erdschwerefelds herausgerechnet werden.
Der von der italienischen Raumfahrtagentur Asi entworfene Lares-2 besteht aus einer massiven Nickellegierung, wodurch er bei 40 cm Durchmesser eine Masse von fast 300 kg aufweist. So werden weitere Effekte, etwa durch den Strahlungsdruck der Sonne, minimiert.
Zwei weitere Satelliten dokumentieren das Erdschwerefeld und seine Schwankungen, die auch durch die Gezeiten sowie die Position von Sonne und Mond beeinflusst werden. Schließlich lassen sich die Satellitenbahnen durch Laserentfernungsmessungen exakt verfolgen.
Einfluss des Effekts reicht bis auf die Erde
Die daraus resultierenden Messungen zeigen mit einer verbleibenden Unsicherheit von 0,2 Prozent die Verzerrung der Raumzeit, die sich anhand der Satellitenbahnen der beiden Testkörper belegen lässt. Die Studie dazu wurde in Nature(öffnet im neuen Fenster) veröffentlicht.
Neben dem Nachweis, dass sich die Raumzeit durch die Rotation der Erde minimal verzerrt, konnte auch die sogenannte K1-Tide präzisiert werden. Diese lunisolare Erdtide gibt an, wie sich die Wassermassen auf der Erde durch die Anziehungskraft von Mond und Sonne verschieben.
Die veränderliche Massenverteilung beeinflusst das Erdschwerefeld in einer 1.050 Tage dauernden Periode. Dadurch ändern sich nicht nur Satellitenbahnen, sondern auch Prozesse auf der Erde. Dank der Messungen an den beiden Satelliten konnte dieser Einfluss noch exakter bestimmt werden.
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