Erde verdrillt die Raumzeit: präziseste Messung von Einsteins Frame-Dragging

Rund 61,3 Millibogensekunden pro Jahr – so weit driften die Bahnen zweier Metallkugeln im Erdorbit, weil unser Planet beim Drehen die Raumzeit mitnimmt. Ein internationales Team um den Physiker Ignazio Ciufolini von der Sapienza-Universität in Rom hat diesen Wert nun so genau bestimmt wie niemand zuvor – und damit eine der subtilsten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigt. Die Messung erschien im Fachjournal »Nature«.

Gemeint ist das Frame-Dragging, auch Lense-Thirring-Effekt genannt. Einsteins Theorie beschreibt Gravitation als Krümmung der Raumzeit durch Masse. Rotiert diese Masse zusätzlich, verdrillt sie ihre Umgebung ein wenig – ähnlich einem Löffel, der zähen Honig mitschleppt. Bei rotierenden Schwarzen Löchern und Pulsaren war der Effekt längst nachgewiesen. Bei der vergleichsweise leichten Erde dagegen ist er winzig und wird von Störungen überlagert: Unser Planet ist keine perfekte Kugel, sein Schwerefeld erinnert eher an eine verbeulte Kartoffel, und Sonne, Mond und Nachbarplaneten zerren zusätzlich an ihm.

Zwei Kugeln, 200.000 Laserschüsse

Die Lösung liegt in zwei ungewöhnlichen Satelliten: dem NASA-Satelliten LAGEOS und dem 2022 von der italienischen Raumfahrtagentur gestarteten LARES-2. Beide sind passive Kugeln ohne Solarsegel und bewegliche Teile, ihre Oberfläche ist mit Reflektoren übersät. »LAGEOS ist von eleganter Einfachheit – einfach ein von spiegelnden Prismen bedeckter Ball«, sagt Stephen Merkowitz vom Goddard Space Flight Center der NASA. Bodenstationen schießen Laserpulse auf die Kugeln; aus dem Echo lässt sich ihre Position millimetergenau ableiten. Weil die Satelliten kompakt und schwer sind, greifen nicht-gravitative Störkräfte kaum an ihnen an.

Ciufolinis Team wertete gut 200.000 solcher Laser-Messungen vom 17. Juli 2022 bis zum 1. Juni 2025 aus. Der Kniff dabei: LAGEOS und LARES-2 folgen nahezu identischen, aber gegeneinander geneigten Bahnen und umrunden die Erde in entgegengesetzter Richtung. Aus dem Vergleich beider Orbits ließen sich die Gezeiteneffekte von Sonne und Mond herausrechnen – übrig blieb das Frame-Dragging. Nach Angaben von Phys.org flossen zusätzlich Daten der NASA-Mission GRACE ein.

Das Resultat deckt sich mit Einsteins Vorhersage, bei einer relativen Messunsicherheit von rund 0,2 Prozent. Das ist etwa eine Größenordnung genauer als frühere Bestimmungen im Sonnensystem.

Warum das zählt: Jede alternative Theorie der Gravitation muss sich nun in ein deutlich engeres Korsett zwängen. Und die Auswertung hat einen Nebeneffekt – sie verbessert zugleich die Modelle der lunisolaren Gezeiten und damit das Wissen über die Erde selbst.