Zusammenfassung
Ein internationales Forschungsteam hat mithilfe hochpräziser Laserentfernungsmessungen zu Satelliten einen zentralen Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie so genau wie nie zuvor im Erdorbit vermessen. Die im Fachmagazin Nature veröffentlichte Studie zeigt: LARES-2 ermöglicht gemeinsam mit dem älteren Satelliten LAGEOS eine Messung des sogenannten Frame-Dragging-Effekts, der von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wird, mit einer relativen Unsicherheit von etwa 0,2 Prozent. Damit verbessert sich die Genauigkeit gegenüber früheren Tests im Sonnensystem um ungefähr einen Faktor 10. Eine wichtige Grundlage für diese hohe Genauigkeit sind auch die hochpräzisen Schwerefeldbestimmungen der Satellitenmissionen GRACE und GRACE Follow-On, bei denen das GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung eine führende Rolle hat. An der Studie war auch Dr. Patrick Schreiner vom GFZ beteiligt. Dass sich dieser Effekt im Erdorbit mit solcher Genauigkeit messen lässt, zeigt, wie leistungsfähig moderne Satellitengeodäsie, präzise Bahndynamik und Erdschwerefeldmodellierung heute sind. Im Rahmen ihrer Studie demonstrierten die Forschenden auch, dass solche Präzisionsmessungen nicht nur für die Überprüfung grundlegender physikalischer Prinzipien nützlich sind, sondern auch neue Informationen über die Gezeiten der Erde und die Dynamik unseres Planeten liefert.
Hintergrund: Der Effekt des Frame-Dragging
Frame-Dragging ist eine besonders schwer nachweisbare Vorhersage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Vereinfacht gesagt: Eine rotierende Masse zieht die Raumzeit in ihrer Umgebung geringfügig mit – ähnlich wie ein Löffel, der sich in Honig dreht. Bei einem Satelliten führt dies zu einer sehr langsamen Verschiebung seiner Bahnebene gegenüber dem nicht-relativistischen Fall. Im Umfeld der Erde, wo das Schwerefeld vergleichsweise gering ist, ist dieser Effekt extrem schwach, kann aber mit sehr präzisen Satellitenmessungen nachgewiesen werden. In der Nähe rotierender Schwarzer Löcher ist derselbe physikalische Effekt sehr viel stärker und spielt eine wichtige Rolle in der relativistischen Astrophysik.
Die nun im Fachmagazin Nature veröffentlichte Studie knüpft an eine lange Entwicklung der Relativitätsphysik an. Zu den Co-Autoren gehört unter anderem Sir Roger Penrose von der University of Oxford, dessen Arbeiten zeigten, dass die Entstehung Schwarzer Löcher eine robuste Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie ist, und der dafür 2020 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Die neue Studie untersucht jedoch keine Schwarzen Löcher, sondern denselben relativistischen Effekt in dem vergleichsweise schwachen Schwerefeld der Erde – dort, wo er nur mit hochpräziser Satellitengeodäsie sichtbar wird.
Erstautor der Studie ist der italienische Physiker Ignazio Ciufolini von der Universität La Sapienza in Rom und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Wuhan, der die Entwicklung und wissenschaftliche Nutzung der LARES-Satelliten seit vielen Jahren maßgeblich vorantreibt. Vom GFZ ist Dr. Patrick Schreiner, Leiter der Arbeitsgruppe „Erdsystemparameter und Bahndynamik“ in der GFZ-Sektion 1.2 „Globales Geomonitoring und Schwerefeld“, an der Studie beteiligt.
Satellitenbahnen als Messinstrument für die Raumzeit
Für die neue Messung nutzte das internationale Forschungsteam die geodätischen Satelliten LARES-2 (Laser Relativity Satellite 2) und LAGEOS (Laser Geodynamics Satellite), die die Erde in rund 5.900 Kilometer Höhe umkreisen. Beide sind passive, kugelförmige Satelliten, die mit Hunderten Retroreflektoren ausgestattet sind. Bodenstationen senden kurze Laserpulse zu den Satelliten, die dort reflektiert werden. Aus der Laufzeit des zurückkehrenden Lichts lässt sich ihre Entfernung mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen. Auf diese Weise werden selbst kleinste Veränderungen der Satellitenbahnen messbar.
LAGEOS ist eine Entwicklung der NASA und bereits seit 1976 im Erdorbit. LARES-2 wurde von der italienischen Raumfahrtagentur ASI entwickelt und 2022 gestartet. Der Satellit ist für solche Präzisionsexperimente besonders geeignet: Mit einem Durchmesser von 42 Zentimetern und einem Gewicht von 295 Kilogramm ist er klein, sehr schwer und besitzt ein besonders geringes Verhältnis von Oberfläche zu Masse. Dadurch wird seine Bahn nur sehr wenig durch nicht-gravitative Einflüsse wie den Strahlungsdruck der Sonne beeinflusst.
Zusammen mit LAGEOS bildet LARES-2 eine besonders geeignete Konfiguration: Die beiden Satelliten bewegen sich auf nahezu spiegelbildlich zur Äquatorebene geneigten Bahnen, deren Inklinationen sich fast zu 180 Grad ergänzen. Dadurch lassen sich viele klassische Bahnstörungen, die durch das nicht perfekt kugelförmige Schwerefeld der Erde verursacht werden, weitgehend herausrechnen. Für die präzise Modellierung des Erdschwerefelds und seiner zeitlichen Veränderungen konnte das Team auf die hochgenauen Schwerefeldbestimmungen der Satellitenmissionen GRACE und GRACE Follow-On zurückgreifen. So lässt sich das sehr kleine relativistische Signal des Frame-Dragging isolieren. Aus zwei Satellitenbahnen wird so ein präzises Messinstrument dafür, wie die rotierende Erde die Raumzeit in ihrer Umgebung mitzieht.
Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie und neue Grenzen für alternative Modelle
Für die Nature-Studie wertete das Team rund 200.000 Laserentfernungsmessungen von LARES-2 und LAGEOS aus, die über einen Zeitraum von 1.050 Tagen zwischen Juli 2022 und Juni 2025 gemacht wurden.
Wie klein der Effekt ist, zeigt ein Vergleich: Frame-Dragging verändert die Orientierung der Bahnebenen von LARES-2 und LAGEOS jeweils nur um rund 30,7 Millibogensekunden pro Jahr. Eine Millibogensekunde entspricht einem Winkel von lediglich dem 3,6-millionsten Teil eines Grades. Auf der Umlaufbahn der Satelliten, rund 12.300 Kilometer vom Erdmittelpunkt entfernt, entspricht diese Winkeländerung einer Strecke von nur etwa 1,8 Metern pro Jahr.
Das Ergebnis bestätigt den Frame-Dragging-Effekt und damit die Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie mit einer relativen Unsicherheit von nur etwa 0,2 Prozent, also zwei Tausendstel. Damit ist die Messung etwa zehnmal genauer als frühere Tests im Sonnensystem.
„Dass sich dieser Effekt im Erdorbit mit solcher Genauigkeit messen lässt, zeigt, wie leistungsfähig moderne Satellitengeodäsie, präzise Bahndynamik und Erdschwerefeldmodellierung heute sind“, sagt Co-Autor Patrick Schreiner vom GFZ.
Die hohe Genauigkeit ist nicht nur eine weitere Bestätigung von Einsteins Theorie im nahen Umfeld der Erde. Sie erlaubt auch, alternative Gravitationstheorien stärker einzuschränken. Dazu gehören Modelle, die in vielen klassischen Tests dieselben Effekte wie die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagen, sich aber gerade beim Frame-Dragging unterscheiden können.
Einige dieser Ansätze wurden im Zusammenhang mit offenen Fragen der modernen Kosmologie diskutiert, etwa der beschleunigten Expansion des Universums. Genau deshalb ist die neue Messung so relevant: Sie prüft die Gravitation an einer Stelle, an der sich mögliche Abweichungen von Einsteins Theorie besonders empfindlich zeigen würden.
Auch für die Geowissenschaften relevant
Die Studie zeigt zugleich, dass hochpräzise Tests fundamentaler Physik auch geowissenschaftliche Informationen liefern können: Eine der größten Herausforderungen der Analyse war die sogenannte K1-Tide. Dabei handelt es sich um eine lunisolare Erdtide: Die Anziehung von Mond und Sonne verformt den Erdkörper geringfügig und verschiebt Wassermassen. Dadurch verändert sich das Schwerefeld der Erde, was wiederum die Bahnen von Satelliten beeinflusst.
Für die Messung des Frame-Dragging-Effekts ist diese Tide besonders anspruchsvoll, weil ihre Wirkung auf die Bahnebenen von LARES-2 und LAGEOS eine Periode von rund 1.050 Tagen besitzt und dadurch den über diesen Zeitraum anwachsenden relativistischen Effekt überlagern kann. In der gemeinsamen Auswertung der beiden Satellitenbahnen konnte ihr Einfluss herausgelöst und zugleich eine Korrektur der modellierten K1-Tidenamplitude bestimmt werden.
„Damit verbindet die Studie zwei Bereiche, die am GFZ eng zusammengehören: präzise Satellitenbahnbestimmung und die Beobachtung dynamischer Prozesse im System Erde. Dieselben Messungen, die eine Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigen, liefern auch neue Informationen über Erdtiden und die Dynamik unseres Planeten“, sagt Schreiner.
GFZ-Beitrag
Das GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung ist durch Patrick Schreiner aus der Sektion 1.2 „Globales Geomonitoring und Schwerefeld“ an der Studie beteiligt. Die Arbeit nutzt hochpräzise Satellite-Laser-Ranging-Beobachtungen und Verfahren der präzisen Bahnbestimmung. In Teilen kam dabei auch das GFZ-Orbitprogramm EPOS-OC (Earth Parameter and Orbit System, Kernmodul: Orbit Computation) zum Einsatz, eine seit Jahrzehnten am GFZ stetig weiterentwickelte Software.
„Die Studie knüpft damit an die GFZ-Expertise in Satellitengeodäsie, präziser Bahnanalyse und Erdschwerefeldmodellierung an. Zugleich zeigt sie, dass diese geodätischen Präzisionsverfahren auch grundlegende Fragen der Physik berühren, bis hin zu Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie“, erläutert Schreiner.
Ausblick
LARES-2 und LAGEOS sind passive geodätische Satelliten und können voraussichtlich noch über Jahrzehnte hinweg beobachtet werden. Mit zunehmender Länge der Beobachtungszeit werden weitere Verbesserungen möglich, sowohl für Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie als auch für geodätische und geophysikalische Anwendungen.
Die Nature-Studie zeigt damit, wie weit moderne Satellitengeodäsie reicht: Sie vermisst nicht nur Form, Rotation und Dynamik der Erde, sondern macht auch subtile Eigenschaften der Raumzeit im Umfeld unseres Planeten messbar.
Originalstudie
Ciufolini I, Paolozzi A, Pavlis EC, Ries JC, Paris C, Ortore E, Matzner R, Kuzmicz-Cieslak M, Deka D, Pavlis DE, Schreiner P, Ni WT, Penrose R, Gurzadyan V (2026) LARES-2 satellite measures frame-dragging effect around the Earth. Nature 655, 332–335 (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10715-0
