Einsteins Theorie könnte Vorbeiflug-Anomalie erklären

Schon lange wird beobachtet, dass Raumsonden bei Vorbeiflügen an Planeten ein klein wenig schneller werden als voraus berechnet. Eine neue Hypothese schlägt nun vor, diese Anomalie mit der Speziellen Relativitätstheorie zu erklären.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: Universe Today/arXiv.org.

Das als “Vorbeiflug” bekannte Manöver (englisch “Swing-by” oder “Flyby”) wird in der Raumfahrt schon lange genutzt, um eine Raumsonde zu beschleunigen und damit Treibstoff zu sparen: Wenn eine Sonde dicht an einem Planeten, oder sonstigen wesentlich größeren Weltraumobjekt, vorbeifliegt, wird sie von dessen großer Gravitation naturgemäß in eine andere Bahn umgelenkt. Außer ihrer Flugbahn ändert sich dabei auch ihre Geschwindigkeit. Um etwa beschleunigt zu werden, muss sie den Planeten von der Seite her anfliegen, die in dessen Orbit um die Sonne “hinten” liegt, und ihre eigene Flugbahn im Moment der Ankunft muss sich deutlich von der Flugbahn des Planeten um die Sonne unterscheiden. Dann ist der Planet “bestrebt”, die Sonde auf seiner eigenen Flugbahn “mitzunehmen”, und verleiht ihr somit zusätzlichen Schwung.

Dieser Zusammenhang ist den Raumfahrtbehörden schon seit Jahrzehnten bekannt und wird gerne genutzt, um Treibstoff, Gewicht und damit Geld zu sparen – denn je leichter eine Sonde ist, desto kleiner kann die Rakete gewählt werden, um sie ins All zu bringen, und das hat oft Vorrang vor zeitlichen Erwägungen. Mit ausgeklügelter Software lässt sich bis ins Detail kalkulieren, wie oft eine Sonde wann wo vorbeifliegen muss, um wann wo anzukommen. Dabei ergeben sich verschlungene, überkompliziert anmutende Flugrouten, die natürlich auch viel Zeit in Anspruch nehmen, sich unter dem Strich aber doch rechtfertigen lassen.

Bei den Messungen vor und nach einem Vorbeiflug, wie viel Geschwindigkeit eine Raumsonde denn nun tatsächlich zugelegt hat, gibt es allerdings, ebenfalls schon seit Jahrzehnten, Überraschungen. Das Plus an Geschwindigkeit fiel nämlich noch ein bisschen größer aus als vorausberechnet – nicht viel, aber doch deutlich größer als der zu erwartende Messfehler, und mit den bisherigen Theorien nicht erklärbar. Erstmals fiel dies 1990 und 1992 bei Erd-Vorbeiflügen von Galileo auf, dann bei NEAR 1998, und bei Cassini 1999. Auch Rosetta und Messenger hatten 2005 bei ihren Rendezvous´ mit der Erde ein bisschen mehr beschleunigt als erwartet. Die größte Anomalie wurde bei NEAR beobachtet, die 13 Millimeter pro Sekunde schneller geworden war, als sie hätte werden sollen.
Eine Gruppe von Forschern am JPL der NASA warf dieses Jahr das Handtuch bei dem Versuch, das Phänomen mit bekannten Effekten von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zu erklären. Sie konnten lediglich eine empirische Formel bestimmen, mit der sich die Anomalie berechnen lässt, freilich ohne eine physikalische Erklärung dafür zu liefern. Eine neue Hypothese aus Frankreich unternimmt nun den Erfolg versprechenden Versuch, die Anomalie mit der Speziellen Relativitätstheorie zu erklären.

In einem kurz und knapp gehaltenen Papier sagt Jean-Paul Mbelek vom französischen Kernforschungszentrum CEA-Saclay, dass die Relativbewegung zwischen dem Raumfahrzeug und der sich drehenden Erde bisher nicht ausreichend berücksichtigt worden sei. Wenn man einen wohl bekannten, aber gerne vernachlässigten Effekt der Speziellen Relativitätstheorie in die Formel einbezöge, indem die “transversale Dopplerverschiebung” zwischen der Erddrehung und der Geschwindigkeit der Sonde berücksichtigt würde, dann verschwände die Anomalie einfach. Mbelek gelingt es, seine Berechnung der Anomalie aus der relativistischen Betrachtung der Dopplerverschiebung nach und nach so umzuformen, dass sie unter bestimmten Bedingungen – die für die Vorbeiflüge allesamt erfüllt seien – in die empirische Formel der JPL-Gruppe übergeht. Er kommt zu dem Schluss: “Somit braucht die Allgemeine Relativitätstheorie nicht in Frage gestellt zu werden, und die Vorbeiflug-Anomalie ist bloß der unvollständigen Analyse mit den Mitteln der konventionellen Physik geschuldet.”

Andere Erklärungsversuche hatten schon Dunkle Materie oder eine geheimnisvolle “Unruh-Strahlung” als Ursache vorgeschlagen. Folgt man Mbelek, dann ist die Vorbeiflug-Anomalie einfach eine Folge der Tatsache, dass die Geschwindigkeiten der beteiligten Körper sich bereits in einem Bereich bewegen, in dem relativistische Effekte spürbar werden. Seiner Ansicht nach kann man die Vorbeiflüge von Raumsonden an schweren, ausgedehnten Körpern als einen weiteren Test der Speziellen Relatitivitätstheorie sehen. Er schlägt vor, dass man weitere Vorbeiflüge detaillierter messen solle, auch über den Punkt der nächsten Annäherung hinaus, um die Richtigkeit der Hypothese zu bestätigen.

Weiterführende Links:

Wikipedia: Flyby-Manöver