LONDON (IT BOLTWISE) – Zwei Satelliten messen das Relativitätsphänomen Frame Dragging im Erdorbit deutlich genauer als frühere Tests. LARES-2 und LAGEOS lassen sich mit Laserimpulsen auf Entfernungen und Bahndynamik hin vermessen. Aus Daten von rund 1050 Tagen ergibt sich eine jährliche Bahnurichtung-Änderung im Millibogensekundenbereich. Das Ergebnis bestätigt Einsteins Vorhersage und schränkt alternative Gravitationstheorien weiter ein.
Im Erdorbit lässt sich Einsteins Theorie nicht nur als philosophische Idee verstehen, sondern als messbare Dynamik der Raumzeit. Genau daran knüpft die Auswertung mit LARES-2 und LAGEOS an: Beide Satelliten kreisen in etwa 5900 Kilometern Höhe und werden per Laserentfernungsmessung über Bodenstationen vermessen. Bodenstationen senden Laserpulse zu den kugelförmigen Satelliten, die mit Reflektoren ausgestattet sind, und bestimmen ihre Entfernung aus der Laufzeit der Signale. Auf diese Weise werden winzige Veränderungen in den Bahnen erfasst, die bei ausreichend langer Messdauer und guter Bahndynamik-Modellierung auch relativistische Effekte sichtbar machen.
Technisch auffällig ist dabei nicht nur die Geometrie der Mission, sondern auch das Material- und Massenverhältnis von LARES-2. Der jüngere Satellit ist 42 Zentimeter groß und wiegt 295 Kilogramm. Dieses besondere Oberflächen-Masse-Verhältnis macht ihn besonders unempfindlich gegenüber störenden Einflüssen wie dem Strahlungsdruck der Sonne. Zusammen mit der Ausrichtung der Umlaufbahnen entsteht so eine Messumgebung, in der sich relativistische Signale weniger schnell mit klassischen Störgrößen überlagern. LAGEOS ist bereits seit 1976 im All, LARES-2 kam 2022 hinzu; die Kombination liefert dadurch lange Zeitreihen und bessere statistische Robustheit.
Der eigentliche Relativitätstest zielt auf den Frame-Dragging-Effekt, auch Lense-Thirring-Effekt genannt. Dieser Effekt beschreibt, wie eine rotierende Masse die Raumzeit in ihrer Umgebung beeinflusst und diese gewissermaßen „mitzieht“ beziehungsweise „verdrillt“. Für die Satelliten bedeutet das: Die Ausrichtung der Umlaufbahn wird verändert, obwohl das Erschweren der Messung im Detail im Zusammenspiel vieler Bahneinflüsse steckt. Die Umlaufbahnen sind nahezu spiegelbildlich zur Äquatorebene geneigt; damit lässt sich das unregelmäßige Erdschwerefeld besser herausrechnen. Zusätzlich fließen Daten aus den Missionen GRACE und GRACE Follow-On ein, an denen das GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung maßgeblich beteiligt ist.
In der konkreten Auswertung standen Beobachtungen über 1050 Tage vom Juli 2022 bis Juni 2025 im Fokus. Dabei beträgt die jährliche Änderung der Orientierung der Bahnebenen durch den Frame-Dragging-Effekt etwa 30,7 Millibogensekunden; auf der Satellitenbahn entspricht das ungefähr einer Verschiebung von 1,8 Metern pro Jahr. Entscheidender Punkt: Die Raumzeitverschiebung muss gegen klassische Einflüsse sauber abgegrenzt werden. Eine besondere Herausforderung war die K1-Tide, die durch die Anziehung von Mond und Sonne entsteht. Die Gezeitenwelle verformt die Erde und verschiebt Wassermassen, wodurch das Schwerefeld verändert und die Satellitenbahnen beeinflusst werden. In der rund 1050-tägigen Messdauer kann sich das relativistische Signal so überlagern, weshalb die Forschenden den Gezeiteneffekt herausrechnen und die K1-Tidenamplitude korrigieren mussten.
Das Ergebnis liefert laut Bericht eine Bestätigung von Einsteins Vorhersage mit einer relativen Unsicherheit von rund 0,2 Prozent. Damit gilt die Messung als etwa zehnmal genauer als frühere Tests im Sonnensystem. Gerade diese Größenordnung ist für den Wissenschafts- und Techniknutzen relevant: Sie zeigt, wie stark moderne Satellitengeodäsie, präzise Bahndynamik und Erdschwerefeldmodellierung inzwischen zusammenarbeiten. GFZ-Forscher Dr. Patrick Schreiner fasst das in einer konkreten Aussage zusammen: „Dass sich dieser Effekt im Erdorbit mit solcher Genauigkeit messen lässt, zeigt, wie leistungsfähig moderne Satellitengeodäsie, präzise Bahndynamik und Erdschwerefeldmodellierung heute sind.“ Außerdem werden durch das Resultat engere Grenzen für alternative Gravitationstheorien gezogen, die sich in klassischen Experimenten kaum von Einsteins Theorie unterscheiden, beim Frame-Dragging aber abweichende Vorhersagen machen.
Damit rückt auch die Überschneidung von Geodäsie und Geophysik in den Mittelpunkt. Die gleiche Messkette, die die Allgemeine Relativitätstheorie stützt, liefert neue Informationen über Erdtiden und die Dynamik des Planeten. Gleichzeitig wird deutlich, wie sehr Software und Prozessdesign an solchen Experimenten hängen: Das GFZ steuerte Verfahren der genauen Bahnbestimmung und das Orbitprogramm EPOS-OC bei. Die Software wird dort seit Jahrzehnten weiterentwickelt, wodurch sich über längere Zeiträume konsistente Modellierungen und nachvollziehbare Verbesserungen aufbauen lassen. Genau diese Kontinuität macht es in der Praxis möglich, dass aus Messdaten nicht nur Bahnen werden, sondern auch physikalische Parameter.
Für die Zukunft ist vor allem die Beobachtungsdauer entscheidend. Da LARES-2 und LAGEOS voraussichtlich noch Jahrzehnte beobachtet werden, dürfte die Genauigkeit weiter zunehmen. Längere Messreihen eröffnen neue Wege für Geodäsie, Geophysik und Gravitationstests, weil sich statistische Unsicherheiten reduzieren und systematische Effekte über verschiedene Jahreszyklen besser charakterisieren lassen. So wird Satellitengeodäsie zunehmend zu einem „Labor“ für fundamentale Naturgesetze, in dem nicht nur das Zusammenspiel von Gravitation und Bahndynamik geprüft wird, sondern auch die Messmethodik selbst ständig robuster wird. Als Artikelreferenz wird genannt: Ciufolini, I., Paolozzi, A., Pavlis, E. C., et al. (2026). LARES-2 satellite measures frame-dragging effect around the Earth. Nature.
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