Der Laser Relativity Satellite 2 ist am 13. Juli 2022 vom Weltraumbahnhof der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Kourou, Französisch-Guayana, gestartet. LARES-2 wurde von der italienischen Raumfahrtagentur (ASI) für rund 10 Millionen Euro gebaut und hob beim Jungfernflug einer verbesserten Version der europäischen Vega-Rakete ab.

Die Leistung der Vega-C war »spektakulär«, sagt der Leiter der Mission, Ignazio Ciufolini, Physiker an der Universitá del Salento in Lecce, Italien. »ESA und ASI haben den Satelliten mit einer Genauigkeit von nur 400 Metern in seine Umlaufbahn gebracht.« Diese präzise Positionierung wird dazu beitragen, die Qualität der Messungen der Forschenden zu verbessern, fügt Ciufolini hinzu.

»Dies ist ein großer Fortschritt für die Messung des Effekts«, sagt Clifford Will, ein theoretischer Physiker an der Universität von Florida in Gainesville.

Ein reflektierende Kugel rockt den Weltraum

LARES-2 ist eine Metallkugel, die mit 303 Reflektoren bedeckt ist und keine Elektronik oder Navigationskontrolle an Bord hat. Das Design der Discokugel ähnelt dem ihres Vorgängers LARES, einem 2012 gestarteten Experiment zur allgemeinen Relativitätstheorie, und einer Sonde namens LAGEOS, die von der NASA in den 1970er Jahren vor allem zur Untersuchung der Schwerkraft der Erde eingesetzt wurde.

Mit LARES-2 stecken etwa 295 Kilogramm Material in einer Kugel von weniger als 50 Zentimeter Durchmesser. Seine Dichte minimiert die Auswirkungen von Phänomenen wie dem Strahlungsdruck des Sonnenlichts oder dem schwachen Luftwiderstand der Erdatmosphäre in großen Höhen, sagt der Raumfahrtingenieur Antonio Paolozzi von der Universität La Sapienza in Rom. Nach Experimenten mit maßgeschneiderten Materialien hoher Dichte entschied sich das Team für eine handelsübliche Nickellegierung. Diese wies eine akzeptable Dichte auf und ermöglichte es LARES-2, sich ohne teure Flugzertifizierungstests für den Vega-C-Erstflug zu qualifizieren.

Ciufolini und seine Kollegen planen, die Umlaufbahn von LARES-2 über mehrere Jahre hinweg mit Hilfe eines bestehenden globalen Netzes von Lasermessstationen zu verfolgen. Diese Art von Sonde kann jahrzehntelang Daten liefern. »Man kann sich einfach zurücklehnen und Laserstrahlen zu ihr schicken«, sagt Will. »Was die Kosten angeht, ist das eine günstige und gute Sache.«

Nach der Newton'schen Schwerkraft sollte ein Objekt, das einen perfekt kugelförmigen Planeten umkreist, äonenlang immer wieder dieselbe Ellipse durchlaufen. Doch im Jahr 1913 wiesen Albert Einstein und sein Mitarbeiter Michele Besso anhand einer vorläufigen Version der allgemeinen Relativitätstheorie darauf hin, dass ein rotierender Planet eine leichte Verschiebung der Satellitenbahn verursachen müsste. Die genaue mathematische Berechnung des Effekts wurde 1918 von den österreichischen Physikern Josef Lense und Hans Thirring vorgenommen. Moderne Berechnungen sagen voraus, dass der Lense-Thirring-Effekt, eine Art relativistisches »Frame Dragging«, dazu führen sollte, dass sich die Ebene der Umlaufbahn um die Erdachse um 8,6 Millionstel Grad pro Jahr dreht.

In der Praxis ist die Erde selbst keine perfekte Kugel, sondern »wie eine Kartoffel geformt«, sagt Ciufolini. Die sich daraus ergebenden Unregelmäßigkeiten im Gravitationsfeld der Erde – ebendas, was LAGEOS messen sollte – führen zu einer zusätzlichen Präzession der Umlaufbahn, die die Messung des relativistischen Effekts erschweren kann. Durch den Vergleich der Umlaufbahnen zweier Satelliten lassen sich diese Unregelmäßigkeiten jedoch ausgleichen.

Ciufolini, der seit seiner Doktorarbeit 1984 am Konzept der LARES-Mission arbeitet, wandte dieses Prinzip erstmals im Jahr 2004 an, um durch den Vergleich der Bahnen von LAGEOS und LAGEOS-2 – einer ähnlichen, von ASI gestarteten Sonde – die Bahnverschiebung zu messen. Er und sein Kollege Erricos Pavlis von der University of Maryland, Baltimore County, behaupteten, den Effekt mit einer Genauigkeit von 10 Prozent bestimmt zu haben.

Obwohl das Ergebnis noch sehr ungenau war, gelang es dem Team, ein umgerechnet etwa 785 Millionen Euro teures NASA-Experiment zu vereiteln, das mit einer anderen Technik die Rahmenverschiebung messen wollte. Bei der hochkomplexen Mission Gravity Probe B, die 2004 gestartet wurde, wurden nicht die Veränderungen der Flugbahn der Raumsonde gemessen, sondern die Neigung von vier rotierenden Kugeln, die sich um einen winzigen Bruchteil eines Grades pro Jahr verschoben. Unvorhergesehene Komplikationen führten dazu, dass Gravity Probe B nur eine Genauigkeit von 20 Prozent erreichen konnte, weit entfernt vom ursprünglichen Ziel von 1 Prozent.

LARES-2 befindet sich in optimaler Höhe von 5900 Kilometern

Ciufolini und sein Team verbesserten daraufhin ihr früheres Ergebnis auf eine Genauigkeit von 2 Prozent mit LARES, der ersten Sonde, die speziell für diese Art von Experiment entwickelt wurde. Auf Grund der Beschränkungen der Trägerrakete – der früheren Vega – konnte LARES jedoch nur eine Höhe von 1450 Kilometern erreichen. LARES-2 befindet sich nun in optimaler Höhe von 5900 Kilometern, wo die Unregelmäßigkeiten des Erdschwerefeldes zwar gedämpft werden, der Einfluss des Rahmens aber immer noch stark ist.

Ziel der Mission ist es, eine Genauigkeit von 0,2 Prozent zu erreichen. Mit der präzisen Orbitalinjektion dürfte dieses Ziel in greifbare Nähe rücken, sagt Ciufolini. Damit könnte das Team feststellen, ob die allgemeine Relativitätstheorie gegenüber alternativen Raum-Zeit-Theorien die Oberhand gewinnt, fügt er hinzu.

Thibault Damour, ein theoretischer Physiker am Institut für Höhere Wissenschaftliche Studien (IHES) in der Nähe von Paris, lobt die geringen Kosten des Experiments. »Wenn man eine Abweichung [von der theoretischen Vorhersage] findet, wäre das ein wichtiges Ergebnis«, sagt Damour. Er fügt jedoch hinzu, es habe bereits genauere Überprüfungen der allgemeinen Relativitätstheorie im Weltraum gegeben; einen Test der Cassini-Mission etwa.

In Erdnähe sind die Auswirkungen des Frame Dragging nur schwach ausgeprägt. Doch wenn zwei Schwarze Löcher ineinander kreisen und verschmelzen, werden sie gigantisch. Gravitationswellenobservatorien könnten bereits begonnen haben, solche Effekte in den letzten Umlaufbahnen einiger Schwarzer-Loch-Paare zu entdecken: Aus der Form der Wellen können sie berechnen, wie schnell das leichtere Schwarze Loch sich vorwärts bewegte und wie schnell das schwerere Schwarze Loch sich drehte. Mit der Entdeckung von Gravitationswellen ist das Verständnis des Frame Dragging »für die Astrophysik von grundlegender Bedeutung geworden«, sagt Ciufolini.