Die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein bildet das Fundament unseres physikalischen Weltbilds. Sie erklärt das Phänomen der Gravitation über das Konzept der Raumzeitkrümmung: Je größer eine Masse im All ist, desto stärker verformt sie diese unsichtbare Matrix des Kosmos. Dadurch kreisen Planeten um ihre Sonne, Licht wird in der Nähe großer Massen abgelenkt und selbst die Zeit wird gedehnt.
Rotation verzerrt Raumzeit
Doch Einsteins Relativitätstheorie sagt noch einen Effekt voraus: das Frame-Dragging. Wenn sich ein Objekt mit großer Masse im All dreht, dann schleift es die umgebende Raumzeit leicht mit. Dadurch verzerrt und verdrillt sich diese ein wenig. Der Effekt ist vergleichbar mit der Bewegung von zähflüssigem Honig um einen sich drehenden Löffel. Bei massereichen Objekten wie rotierenden Schwarzen Löchern oder Pulsaren haben Astronomen dieses auch als Lense-Thirring-Effekt bezeichnete Phänomen bereits nachgewiesen.
Dieser Frame-Dragging-Effekt müsste auch bei unserem Planeten auftreten. Das Problem jedoch: Weil die Erde eine viel geringere Masse hat als ein Schwarzes Loch, ist auch diese Verzerrung der Raumzeit bei ihr schwächer – und entsprechend schwer zu messen. Hinzu kommt, dass die Erde keine perfekte Kugel ist, sondern leicht abgeplattet. Auch ihr Schwerefeld gleicht eher einer verbeulten Kartoffel als einem Ball.
Als wäre dies nicht schon kompliziert genug, kommen auch externe Schwerkrafteinflüsse ins Spiel: Unser Planet steht nicht isoliert im Raum, sondern wird von den Gezeitenkräften der Sonne, des Mondes und der Nachbarplaneten beeinflusst. All dies muss bei Messungen des Frame-Dragging-Effekts berücksichtigt werden.
Fliegende Diskokugeln als Messhelfer
Eine Lösung für dieses Problem bieten zwei spezielle Satelliten: der Laser Geodynamics Satellite (LAGEOS) der NASA und der italienische Laser Relativity Satellite 2 (LARES-2). Sie umkreisen die Erde in gut 12.000 Kilometer Höhe und ähneln eher überdimensionierten Golfbällen als klassischen Satelliten. Denn die Kugelsatelliten besitzen weder Solarsegel noch andere bewegliche Teile. Stattdessen ist ihre Aluminiumoberfläche mit hunderten kleinen Reflektoren übersät. „LAGEOS ist von eleganter Einfachheit – einfach ein von spiegelnden Prismen bedeckter Ball“, erklärt Stephen Merkowitz vom Goddard Space Flight Center der NASA.
Der LAGEOS-Satellit der NASA ähnelt eher einer Diskokugel als einem klassischen Satelliten. — © NASA/ Goddard
Der Sinn dahinter: Werden diese Kugelsatelliten mit Laserstrahlen anvisiert, werfen sie diese zurück und ermöglichen eine millimetergenaue Messung ihrer Position. Diese wird auch durch die Gravitation in Erdnähe beeinflusst und verrät deshalb, wie stark unser Planet die Raumzeit in seinem Umfeld verformt. Ein weiterer Vorteil: Die kugelige Form und kompakte Masse dieser Satelliten machen sie relativ unempfindlich gegenüber nicht-gravitativen Störungen.
200.000 Laser-Messungen verraten Frame-Dragging
Diese Vorteile haben nun Physiker um Ignazio Ciufolini von der Sapienza Universität in Rom genutzt, um mithilfe der LAGEOS- und LARES-2-Satelliten den Frame-Dragging-Effekt der Erde so genau wie nie zuvor zu messen. Dafür werteten sie gut 200.000 Laser-Messungen beider Satellitenmissionen vom 17. Juli 2022 bis 1. Juni 2025 aus. Sie analysierten dabei nicht nur die Bewegungen der beiden Satelliten um die Erde, sondern auch ihre Positionen relativ zueinander.
„LAGEOS und LARES-2 folgen nahezu identischen Orbits, die jedoch gegeneinander geneigt sind“, erklären Ciufolini und sein Team. Zudem kreisen beide Satelliten in entgegengesetzter Richtung in ihren Bahnen. Dies ermöglichte es den Physikern, auch subtile Gezeiteneffekte durch Mond und Sonne zu bestimmen und herauszurechnen. Nach allen Abzügen bleibt dann ein Wert übrig: Die Verzerrung der erdnahen Raumzeit durch den Frame-Dragging-Effekt.
61,3 Millibogensekunden pro Jahr
Die Analysen ergaben: Die Umlaufbahnen beider Messsatelliten zeigen eine Drift von rund 61,3 Millibogensekunden pro Jahr. Dieser Wert verrät das Frame-Dragging der Erde und stellt die bislang präziseste Messung dieses Effekts dar, wie das Team erklärt. Denn ihr Wert hat eine relative Messunsicherheit von nur 0,2 Prozent. „Das ist rund eine Größenordnung weniger als bei früheren Tests“, schreiben Ciufolini und seine Kollegen.
Wichtiger ist die Frage, wie gut dieser Messwert mit den Vorhersagen von Einsteins Relativitätstheorie übereinstimmt. Die Antwort darauf: „Unser Resultat liefert eine stringente Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie im erdnahen Raum und schränkt alternative Theorien der Gravitation stark ein“, schreiben die Physiker.
Wieder einmal hat Einsteins Theorie damit eine Überprüfung bestanden. „Über solche Tests fundamentaler Physik hinaus verbessert die kombinierte Analyse von LARES-2 und LAGEOS aber auch die Bestimmung der lunisolaren Gezeiten und weiterer gravitativer Phänomene“, erklären Ciufolini und sein Team.
Quelle: Ignazio Ciufolini (Sapienza Università di Roma) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-10715-0
