Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Astronomen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat mit extrem hoher Präzision vermessen, dass sich Neutronensterne und Weiße Zwerge in einem Schwerefeld mit gleicher Beschleunigung bewegen. Dies gelang ihnen, indem sie die Bewegung des Pulsars PSR J0337+1715, eines Neutronensterns in einem ungewöhnlichen Dreifachsternsystem mit zwei Weißen Zwergen als Begleiter äußerst präzise vermessen haben. Das Ergebnis, erhalten durch eine neue stringente Untersuchungsmethode und die Verknüpfung von neuen Radioteleskopbeobachtungen mit den neuesten Ergebnissen von Gravitationswellendetektoren, bedeutet die bisher beste Überprüfung einer der fundamentalsten Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie, dass nämlich die Schwerkraft alle Objekte mit der gleichen Beschleunigung anzieht, unabhängig von deren Zusammensetzung, Dichte oder Stärke des eigenen Gravitationsfeldes.

Diese Erkenntnis bezeichnete Einstein als seinen „glücklichsten Gedanken“, da sie ihn schlussendlich zur allgemeinen Relativitätstheorie führte. Dies gilt sogar im extremen Fall von Neutronensternen, bei denen die Raumzeit viele Billionen mal stärker gekrümmt wird als bei Planeten und selbst bei der Sonne. Vielleicht deutlicher als jeder vorhergehende Test zeigt dieses Ergebnis, dass die allgemeine Relativitätstheorie eine tiefere Wahrheit der Natur erfasst.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Ein Test für die Universalität des freien Falls
Der Pulsar PSR J0337+1715 in Richtung des Sternbilds Stier (Taurus) ist ein Neutronenstern von 1,44 Sonnenmassen, der sich 366mal pro Sekunde um die eigene Achse dreht und dabei einem Leuchtturm gleich regelmäßige Radiopulse in dieser Frequenz Richtung Erde sendet. Er bildet eine Komponente in einem außergewöhnlichen Dreifachsternsystem, in gegenseitiger Wechselwirkung mit zwei weiteren Sternen, beides Weiße Zwerge (vgl. Abb. 1). Ein Weißer Zwerg ist ein recht exotisches Objekt, nämlich ein Stern von ungefähr Erdgröße, aber mit einer Dichte von vielen Hundert Kilogramm pro Kubikzentimeter in seinem zentralen Bereich. Verglichen mit Weißen Zwergen sind Neutronensterne aber noch wesentlich extremer. Mit einer Masse größer als die unserer Sonne zusammengequetscht in einem Gebiet von nur etwas mehr als 20 km Durchmesser erreichen sie zentrale Dichten von mehr als einer Milliarde Tonnen im Volumen eines Zuckerwürfels.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Guillaume Voisin (Jodrell Bank Centre for Astrophysics/UK und Observatoire de Paris), unter Beteiligung von Paulo Freire, Norbert Wex und Michael Kramer vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) sowie Wissenschaftlern aus mehreren Forschungsinstituten in Frankreich, hat mit dem Nançay-Radioteleskop in der Sologne-Region in Frankreich (Abb. 2) die Ankunftszeiten der Radiopulse von PSR J0337+1715 über einen Zeitraum von acht Jahren genau vermessen. Als Ergebnis können die Wissenschaftler nun zeigen, dass Neutronensterne und Weiße Zwerge sich mit einer Genauigkeit von zwei Teilen pro Million mit gleicher Beschleunigung in einem Schwerefeld bewegen.

Diese fundamentale Eigenschaft, bekannt unter dem Stichwort “Universalität des freien Falls“, bildet die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. „Die Bestätigung mit dieser Genauigkeit stellt einen der bisher überzeugendsten Tests überhaupt für Einsteins Theorie dar – und die Theorie besteht den Test mit Bravour“, sagt Dr. Guillaume Voisin. „Das bedeutet, dass für alternative Theorien der Schwerkraft, die in Konkurrenz zur allgemeinen Relativitätstheorie zum Beispiel zur Erklärung der „Dunklen Energie“ vorgeschlagen werden, enge Grenzen gesetzt werden.“

Was ist die Universalität des freien Falls?
Die Universalität des freien Falls ist eine einzigartige Eigenschaft der Gravitation. Im Unterschied zu allen anderen Wechselwirkungen in der Natur zieht die Schwerkraft alle materiellen Objekte mit gleicher Beschleunigung an. Galileo Galilei hat angeblich eine Reihe unterschiedlich großer Gewichte vom Schiefen Turm von Pisa aus herunterfallen lassen, um dies zu überprüfen. Später hat Isaak Newton diesen Sachverhalt als fundamentale Eigenschaft der Gravitation bezeichnet, ohne es indes näher zu erklären. Die höchste Genauigkeit bei der Überprüfung der Universalität des freien Falls konnte bisher mit einem speziell dafür entwickelten Satelliten namens MICROSCOPE erreicht werden, der vom französischen „Centre Nationale d’Études Spatiales“ entwickelt wurde. Die kleinen Prüfmassen im Inneren des Satelliten zeigen eine identische Beschleunigung im Schwerefeld der Erde bis zu einer Genauigkeit von 1 zu 10¹⁴ (oder 1 zu 100 Billionen).

Einsteins glücklichster Gedanke
Nach der Veröffentlichung seiner speziellen Relativitätstheorie im Jahr 1905 begann Einstein darüber nachzudenken, wie er seine neue Theorie mit der Gravitation zusammenbringen könnte, da Newtons Gravitationsgesetz mit dem Relativitätsprinzip in der speziellen Relativitätstheorie unvereinbar ist. Im Herbst 1907 kam ihm ein entscheidender Gedanke, dass es einem Beobachter im freien Fall genauso erscheint, als ob die Gravitation ausgeschaltet worden wäre. Aufgrund der Universalität des freien Falls wird nämlich alles in seinem Umfeld auf die gleiche Weise beschleunigt. Diese einfache aber trotzdem tiefgreifende Erkenntnis brachte Einstein schließlich dazu, die Gravitation als ein Resultat der gekrümmten Raumzeit anzusehen, die in gleicher Art auf alle Massen einwirkt und ein Schlüsselkonzept der allgemeinen Relativitätstheorie darstellt. Er hat diese plötzliche Eingebung später als „den glücklichsten Gedanken meines Lebens“ bezeichnet.

Da Experimente wie der MICROSCOPE-Satellit die Universalität des freien Falls mit derart hoher Genauigkeit bestätigen konnten, haben die meisten Gravitationstheorien inklusive der allgemeinen Relativitätstheorie selbst Einsteins Erkenntnis als Grundvoraussetzung integriert. Das heißt, dass alle diese Theorien die Gravitation als geometrisches Phänomen beschreiben, das aus der Krümmung der Raumzeit resultiert. Die anderen Theorien unterscheiden sich von der allgemeinen Relativitätstheorie nur dadurch, wie die Raumzeit durch die Massen großer Objekte verbogen wird, was sich durch radioastronomische Beobachtungen von Neutronensternen besonders gut testen lässt.

Wie unterscheidet sich die allgemeine Relativitätstheorie von anderen Theorien der Schwerkraft?
Obwohl alle die genannten Theorien vorhersagen, dass kleine Objekte sich mit identischer Beschleunigung im gleichen Gravitationsfeld bewegen, ist der Sachverhalt nicht mehr so einfach, wenn es sich statt kleiner Körper um astronomische Objekte mit großer Masse handelt, die durch die Gravitation selbst zusammengehalten werden. In diesem Fall vermittelt die allgemeine Relativitätstheorie das einfachste Bild, dass nämlich die Universalität des freien Falls auch für solche „selbstgravitierenden“ Objekte gilt, während viele alternative Theorien zur Gravitation Abweichungen von einer universellen Beschleunigung vorhersagen. Diese Abweichungen vergrößern sich in der Regel in dem Maß, mit dem die Raumzeit durch die Masse des Objekts selbst verkrümmt wird. Für Objekte wie die Erde, die Sonne und selbst weiße Zwergsterne ist das Maß der Raumkrümmung ziemlich klein. Im Vergleich dazu ist die Raumkrümmung bei Neutronensternen Millionen bis Billionen mal stärker. In Gravitationstheorien, die eine Verletzung der Universalität des freien Falls in Bezug auf die Eigengravitation der Objekte vorhersagen, ist das Ausmaß dieser Verletzung im Fall von Neutronensternen generell wesentlich stärker als bei allen anderen Objekten.

Ein Pulsar in einem Dreifach-Sternsystem
Im Jahr 2014 entdeckten Radioastronomen, dass der Pulsar PSR J0337+1715 zusammen mit zwei Weißen Zwergen ein Dreifachsternsystem bildet. Dieses System stellt ein ideales Labor dar, um die Universalität des freien Falls für einen Neutronenstern zu überprüfen. Durch die systematische Erfassung der Bewegung des Pulsars aufgrund seiner Radiosignale konnte nun ein hochpräziser Test durchgeführt werden, der zeigt, ob der Pulsar sich mit der gleichen Beschleunigung im Gravitationsfeld des äußeren Weißen Zwergs bewegt wie der benachbarte „innere“ Weiße Zwerg. Der neue Test verbessert frühere Untersuchungen des gleichen Systems in zweifacher Hinsicht. Zum einen liefert er einen schärferen Grenzwert für einen Unterschied in der Schwerebeschleunigung zwischen Pulsar und innerem Weißen Zwerg, zum anderen verwendet er Ergebnisse zu den Eigenschaften von Neutronensternen, die sich aus der vernichtenden Kollision zweier Neutronensterne ergeben, die mit den LIGO/VIRGO-Gravitationswellenobservatorien beobachtet werden konnte. „Der zweite Aspekt ist besonders wichtig in Hinblick auf die Abgrenzung der allgemeinen Relativitätstheorie zu alternativen Gravitationstheorien“, erklärt Dr. Norbert Wex vom MPIfR, ein Ko-autor der Veröffentlichung.

PSR J0337+1715 zeigt uns also, dass Einsteins geniale Einsicht auch bei so extremen Objekten wie Neutronensternen zutrifft, die erst ein halbes Jahrhundert nach der Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie entdeckt wurden. „Vielleicht mehr als in allen vorhergehenden Studien zeigt dieses Ergebnis, dass Einsteins glücklichster Gedanke tatsächlich eine fundamentale Aussage über die Gravitation und die innere Funktion der Natur darstellt“, schließt Dr. Paulo Freire, ein weiterer Ko-autor vom MPIfR.

Hintergrundinformation
Die Überprüfung der Universalität des freien Falls mit einem Pulsar in einem Dreifachsternsystem ist vergleichbar mit einem klassischen Test, der im Lauf der vergangenen 50 Jahre regelmäßig durchgeführt worden ist, dem sogenannten „Lunar Laser Ranging“ (LLR).

Wie bereits erwähnt, sagen eine Reihe von alternativen Theorien der Gravitation im Gegensatz zur allgemeinen Relativitätstheorie voraus, dass astronomische Objekte in einem Gravitationsfeld unterschiedlich beschleunigt werden, und zwar abhängig vom Ausmaß der von ihnen selbst erzeugten Krümmung der Raumzeit. Diesen Theorien zufolge sollten sich also die Erde und der Mond im Schwerefeld der Sonne mit geringfügig unterschiedlicher Beschleunigung bewegen, da nämlich die Erde im Vergleich zum Mond eine größere Krümmung der Raumzeit hervorruft.

Aus diesem Grund hat Kenneth Nordtvedt bereits in den 1960er Jahren vorgeschlagen, die auf der Mondoberfläche von amerikanischen Astronauten und sowjetischen Rover-Missionen installierten Retroreflektoren zu verwenden, um zu überprüfen, ob sich Erde und Mond mit gleicher Beschleunigung im Schwerefeld der Sonne bewegen. Mit Hilfe von Laserstrahlen in Richtung Mond, die von den Retroreflektoren zurückreflektiert wurden, war es möglich, die Entfernung zwischen Sender und Reflektor mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern zu vermessen. Die Ergebnisse stimmen mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie überein und zeigen, dass Erde und Mond sich mit einer Genauigkeit von 1 zu 10¹³ (1 zu 10 Billionen) mit identischer Beschleunigung im Gravitationsfeld der Sonne bewegen.

Trotz der hohen Genauigkeit hat dieser Test aber einen entscheidenden Nachteil. Er liegt in dem geringen Ausmaß der Krümmung der Raumzeit durch Erde oder Mond. Neutronensterne sind im Vergleich dazu viel extremere Objekte. In einem Durchmesser von nur wenig über 20 Kilometern konzentrieren sie eine Masse, die größer ist als die der Sonne, und einige Hunderttausend mal größer als die Masse der Erde. Ihre zentralen Dichten von rund einer Milliarde Tonnen pro Kubikzentimeter machen sie zur dichtgepacktesten Form von Materie im gegenwärtigen Universum. Als Ergebnis ist die von ihnen hervorgerufene Krümmung der Raumzeit 10¹⁴ (oder 100 Billionen) mal stärker als die der Erde; Neutronensterne verursachen also ein extrem starkes Gravitationsfeld.

Das Experiment mit dem Pulsar im Dreifachsternsystem ist in einer Reihe von Aspekten vergleichbar mit dem „Lunar Laser Ranging“-Experiment. Der Pulsar ist in einem Orbit mit 1,6 Tagen Umlaufdauer mit dem inneren Weißen Zwerg (von 0,2 Sonnenmassen). Das lässt sich vergleichen mit dem Erde-Mond-System. Der äußere Weiße Zwerg von 0,4 Sonnenmassen wiederum ist in einem Orbit von 327 Tagen Umlaufdauer mit dem inneren Binärsystem und damit vergleichbar mit der Sonne, in deren Gravitationspotential sich das Erde-Mond-System bewegt. Statt des LLR dort erfolgt hier nun die präzise Analyse des Pulsar-Radiosignals. Das hat nicht annähernd die Genauigkeit der Lasermessung; statt einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern wird im Fall des „Pulsar Timings“ eine Genauigkeit von einigen Hundert Metern erzielt. Das ist einer der Gründe, warum die Pulsarmessung der Universalität des freien Falls mit 2 zu 106 wesentlich weniger genau ist als das LLR mit 1 zu 10¹³. Aber wie bereits erwähnt, gibt es einen wichtigen Unterschied. Die Krümmung der Raumzeit durch den Pulsar ist um so vieles stärker, dass so manche alternative Theorie der Gravitation, die den hochpräzisen LLR-Test mit Bravour besteht, im starken Feld des Neutronensterns jedoch versagt.

Zum Forscherteam gehören Guillaume Voisin, Ismael Cognard, Paulo Freire, Norbert Wex, Lucas Guillemot, Gregory Desvignes, Michael Kramer, und Gilles Theureau. Drei der Autoren, Paulo Freire, Norbert Wex und Michael Kramer, sind Mitarbeiter des MPIfR.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: DLR.

Am 29. Mai 2019 jährt sich zum einhundertsten Mal ein Tag, der in die Geschichte der Wissenschaft wie kaum ein anderer eingegangen ist. An jenem Donnerstag gelang es zwei englischen Forschergruppen unter Leitung der Astronomen Arthur Stanley Eddington (1882–1944) und Andrew Claude de la Cherois Crommelin (1865–1939) anhand einer totalen Sonnenfinsternis nachzuweisen, dass die Sonne mit ihrer Masse tatsächlich den umgebenden Raum und dadurch den Weg von Lichtstrahlen krümmt. „Genau so, wie es vier Jahre zuvor Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie qualitativ und quantitativ vorhergesagt hatte“, erklärt der Astronom und Planetenforscher Dr. Manfred Gaida vom Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Dass die Masse der Sonne tatsächlich und nachweisbar den Raum verbiegt und ihre Anziehung keine Kraft, sondern eine Eigenschaft des Raumes selber ist, war eine völlig neue, befremdliche Vorstellung von unserer Welt, die jenseits jeglicher Alltagserfahrung lag“, so der DLR-Wissenschaftler weiter.

Newton glaubte an die Ablenkung von Licht durch die Anziehungskraft von Massen
Dass Lichtstrahlen beziehungsweise Lichtteilchen in der Nähe von Massen abgelenkt werden, vermutete schon gut 200 Jahre zuvor der große Physiker Isaac Newton (1643–1727), als er im Jahre 1704 im dritten Band seines Werkes „Opticks“ dem Leser die fiktive Frage stellte, ob Körper nicht durch ihre Anziehungskraft auf Lichtteilchen wirken und sie demzufolge ablenken – und das umso stärker, je geringer der gegenseitige Abstand ist. Nachweisen ließ sich allerdings diese kühne Vermutung Newtons nicht, und es dauerte weitere hundert Jahre, bis 1801 der Münchner Astronom Johann Georg von Soldner (1776–1833) erstmals einen Wert für diese Newtonsche Lichtablenkung am Sonnenrand publizierte: nur 0,84 Bogensekunden ‒ entsprechend einer Strecke von nur zwei Kilometern auf der Mondoberfläche aus Erddistanz – sollte sie betragen, ein Wert, der damals unterhalb der Nachweisgrenze lag.

So brauchte es weitere rund 100 Jahre, bis Albert Einstein (1879–1955) darüber nachdachte, wie sich die geometrische Optik mit der Gravitationstheorie verknüpfen lässt. Im Juni 1911 schrieb er in den „Annalen der Physik“: „Es wäre dringend zu wünschen, daß sich Astronomen der hier aufgerollten Frage annähmen, auch wenn die im vorigen gegebenen Überlegungen ungenügend fundiert oder gar abenteuerlich erscheinen sollten. Denn abgesehen von jeder Theorie muß man sich fragen, ob mit den heutigen Mitteln ein Einfluß der Gravitationsfelder auf die Ausbreitung des Lichtes sich konstatieren läßt.“ Und er selber berechnete auch den Wert für die Ablenkung quantitativ zu 0,83 Bogensekunden, der nahezu mit dem Wert Soldners übereinstimmte, dem jedoch anders als bei diesem das Relativitäts- und Äquivalenzprinzip zugrunde lag und nicht bloß die Anziehungskraft einer Masse.

Lichtstarke Teleskope eröffnen die Möglichkeit eines Nachweises
Anfang des 20. Jahrhunderts war die astronomische Messtechnik immerhin soweit fortgeschritten, dass es realistisch schien, einen winzigen Ablenkungseffekt von knapp einer Bogensekunde auf Fotoplatten nachweisen zu können. Mit lichtstarken Teleskopen war man auch in der Lage, helle Sterne am Tageshimmel zu sehen, doch solche Beobachtungen wurden als Nachweismöglichkeit wegen der störenden Nebeneffekte bald verworfen. Die Beobachtung von totalen Sonnenfinsternissen schien hier erfolgversprechender. Bei diesen Ereignissen dunkelt der Mond die Sonnenscheibe minutenlang völlig ab, und Fixsterne in unmittelbarer Nähe der vom Mond bedeckten Sonne leuchten auf. Einstein drängte den mit ihm befreundeten Berliner Astronomen Erwin Finlay-Freundlich den späteren Initiator des Potsdamer Einsteinturms, eine solche Überprüfung durchzuführen. Doch Freundlichs Unternehmung in Russland kurz nach Beginn des Ersten Weltkriegs missglückte, ebenso wie eine Expedition des Amerikaners William Wallace Campbell (1862-1938). Der eine wurde auf der Krim als Feind inhaftiert, der andere hatte südlich von Kiew schlechtes Wetter.

Letztlich erwiesen sich die misslungenen Expeditionen auch für Einstein als vorteilhaft. Denn in seinen Überlegungen steckte noch ein Fehler, der zu einer nur halb so großen Ablenkung führte, als sie in Wirklichkeit war. Hätte man 1914 den wahren Naturwert gemessen, wäre Einstein selber verwundert gewesen und seine kühne Arbeit von seinen Kollegen möglicherweise als Irrtum eingeschätzt worden. Erst im Zuge seiner Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie im Jahre 1915 quantifizierte er die Ablenkung exakt auf 1,75 Bogensekunden am Sonnenrand. Kurz nachdem Albert Einstein im November 1915 seine Allgemeine Relativitätstheorie dann in den Annalen der Physik in deutscher Sprache veröffentlicht hatte, widmete sich der niederländische Astronom Willem de Sitter (1872–1934) in einer dreiteiligen englischsprachigen Arbeit den astronomischen Konsequenzen der Einsteinschen Gravitationstheorie. Diese Arbeit bestärkte die englischen Astronomen Arthur Eddington und Frank Dyson (1868–1939) in ihrem Interesse an Einsteins Theorie, die es anhand von experimentellen Messungen zu bestätigen oder zu verwerfen galt. Darunter auch die obskure Lichtablenkung, bei der die Sterne, bezogen auf die Position des Sonnenrandes, tangential um 1,75 Bogensekunden weiter entfernt erscheinen sollten im Vergleich zu ihrer nächtlichen Position in einem Himmelsfeld ohne Sonne.

Zwei britische Expeditionen machen sich auf den Weg
Nachdem ein zweiter Versuch Campbells im Juni 1918 in den USA fehlgeschlagen war, kam die Stunde der englischen Astronomen. Frank Dyson war hierbei die treibende Kraft, Eddington als führenden Theoretiker für diese besondere Aufgabe vor den Kriegswirren abzuschirmen und zwei Expeditionen zu einer fast sieben Minuten dauernden totalen Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919 vorzubereiten. Diese sollte sich idealerweise nahe eines Haufens hellerer Sterne (Hyaden) ereignen. Die beiden Expeditionen sollten zeigen, wer Recht hatte: Einstein oder Newton oder keiner von beiden. Immerhin ließ sich mit Einsteins Theorie bereits eine bis dahin unverstandene kleine Winkeldifferenz erklären, die man bei der Periheldrehung des Planten Merkur, einer fortschreitenden Drehung seiner Bahnellipse, festgestellt hatte.

Am 8. März stachen beide Expeditionsteams von Liverpool aus mit dem Ziel Madeira in See, wo sich ihre Wege trennten. Während Andrew Crommelin und seine Leute weiter nach Sobral in Brasilien reisten, steuerte Eddington mit seinem Team die portugiesische Insel Príncipe im westafrikanischen Golf von Guinea als Ziel an, die sie am 23. April erreichten. Nachdem die Beobachtungsinstrumente ausgepackt, eingerichtet, justiert und getestet waren, konnte die erwartete Sonnenfinsternis am 29. Mai beginnen. Die wissenschaftliche Ausbeute beider Expeditionen war allerdings recht mager: Den Beobachtern in Sobral gelang es während der Finsternis, acht brauchbare Fotoplatten zu belichten, während Eddington wetterbedingt nur zwei weiter verwendbare Platten (von insgesamt 16) nach England zurückbringen und mit „sonnenfreien“ Aufnahmen desselben Himmelsfeldes vergleichen konnte. Die Auswertung beider Expeditionen ergab für die Beobachtungen in Sobral eine Ablenkung von 1,98 ± 0,16 Bogensekunden und für die auf Príncipe 1,61 ± 0,30 Bogensekunden. Damit war Einstein bestätigt. Die Ergebnisse wurden ‒ gegen einigen Widerstand der amerikanischen Astronomen ‒ am 6. November desselben Jahres von Dyson, Eddington und Davidson in den „Philosophical Transactions of the Royal Society of London“ veröffentlicht. Das Resultat schlug ein wie ein Blitz und Albert Einstein wurde über Nacht weltberühmt.

Ultrapräzise Messungen bestätigen Einsteins Vorhersagen immer wieder aufs Neue
Nur wenige werden allerdings Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und deren Bedeutung für unser Weltbild damals richtig verstanden haben ‒ eine verblüffend exakte, in strenger mathematischer Sprache gefasste Theorie, deren Vorhersagen auch heutzutage anhand zahlreicher ultrapräziser Messungen und aufsehenerregender Beobachtungen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern, immer wieder aufs Neue bestätigt werden. Beispiele dafür sind Messungen der Cassini- und der MICROSCOPE-Mission.

Am 29. Mai wird die Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DGLR) im Technikmuseum Speyer in Anwesenheit des Apollo-16-Astronauten Charles Duke, der am 20. Juli 1969 die Kommunikation mit der Mondfähre von Apollo 11 während der Ladung geführt hatte, der ersten bemannten Mondlandung vor 50 Jahren gedenken. Erinnern sollte man sich dann auch an jenen 29. Mai 1919, der vor 100 Jahren dank der „Ausschaltung“ des Sonnenlichts durch unseren Erdbegleiter ebenfalls Weltgeschichte schrieb.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Airbus Defence and Space, Arianespace, CNES, DLR, ESA, Tesat, Thales Alenia Space, ZARM.

Beim ersten Sojus-Start von Kourou im Jahr 2016 gelangte neben Sentinel 1B für Copernicus außerdem der französische Äquivalenzprinzip-Testsatellit MicroSCOPE (MICRO-Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence) mit einer Startmasse von 303 Kilogramm und drei von Studenten gebaute Kleinstsatelliten, sogenannte Cubesats, in den Weltraum (Startmasse zusammen drei Kilogramm).

Dem Versuchsbetrieb von Kommunikationssubsystemen dient OUFTI 1 von der Universität Lüttich (ULg) in Belgien. Mit e-st@r-II vom Polytechnikum Turin (Politecnico di Torino, POLITO) in Italien will man den Einsatz eines Lagekontrollsystems demonstrieren, das mit Messungen des Erdmagnetfelds arbeitet. Bei AAUSAT 4 von der Universität Aalborg (AAU) in Dänemark handelt es sich um einen Satelliten zur Identifizierung von Seefahrzeugen.

Die Hauptnutzlast, Sentinel 1B, wird zusammen mit dem am 3. April 2014 gestarteten Satelliten Sentinel 1A eine Komponente des europäischen Umweltsatellitensystems Coperniucs bilden, die zur tageslichtunabhängigen Erdbeobachtung gedacht ist.

Copernicus widmet sich der Umweltbeobachtung und wird von der Europäischen Kommission (European Commission, EC) koordiniert. Die Europäische Raumfahrtagentur (European Space Agency, ESA) kümmert sich um Schaffung und Betrieb des Weltraumsegments von Copernicus. Das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) finanziert mit Mitteln der Bundesregierung den deutschen Anteil an Copernicus.

Der Komponente Sentinel 1 ist ein breites Aufgabenspektrum in den Bereichen Umwelt, Verkehr, Wirtschaft und Sicherheit zugedacht. Die beiden Satelliten der Serie sind unter anderem besonders gut für eine Unterstützung bei Naturkatastrophen wie Überschwemmungen und Erdbeben geeignet. Um ihren Anforderungen gerecht werden zu können, erhielten die beiden vom französisch-italienische Luft- und Raumfahrtkonzern Thales Alenia Space (TAS) gebauten Raumfahrzeuge jeweils eine Radaranlage mit synthetischer Apertur (Synthetic Aperture Radar, SAR).

Sentinel 1A (Startmasse laut Arianespace 2.157 kg) und 1B (Startmasse laut Arianespace 2.164 kg) basieren auf dem Satellitenbus Prima, den TAS im Auftrag der Italienischen Raumfahrtagentur (Agenzia Spaziale Italiana, ASI) entwickelt hatte und Basis für die vier italienischen Radarsatelliten der COSMO-SkyMed-Konstellation wurde.

Die im C-Band einzusetzenden SAR-Antennen mit einer Masse von jeweils rund 800 Kilogramm an Bord der dreiachsstabilisierten Satelliten wurden bei Airbus Space in Friedrichshafen gefertigt. Sende-, Empfangs- und Steuerungselektronik für die Radaranlagen steuerte TAS selbst bei. 12,30 auf 0,90 Meter misst eine SAR-Antenne. Zusammengesetzt sind die Antennen aus jeweils 560 Einzelantennen.

Nach Angaben von TAS bewegt sich die Bodenauflösung der Radarsatelliten bei der Erdbeobachtung aus einem Orbit in circa 686 Kilometern Flughöhe abhängig vom aktivierten Beobachtungsmodus im Bereich zwischen 5 und 25 Metern.

Vier verschiedene Beobachtungsmodi stehen zur Verfügung. Der Modus mit der höchsten Leistung kann allerdings nicht kontinuierlich gefahren werden. Aus thermischen Gründen ist ein Zurückschalten nach etwa 25 Minuten erforderlich, ohne dass der Beobachtungsbetrieb unterbrochen werden muss.

Dank der Radaranlagen können die Satelliten ihre Beobachtungsaufgaben wetter- und lichtunabhängig und 24 Stunden pro Tag erbringen. Die ausgesandte Strahlung kann die Vegetation durchdringen und den Erdboden erreichen, was es ermöglicht, Bewegungen der Oberfläche vom Zentimeter- bis hinunter in den Millimeterbereich zu registrieren.

Veränderungen der Umwelt können also millimetergenau verfolgt werden. Beispielweise ist es möglich, die Entwicklung der Landnutzung, die Veränderung der Regenwälder und den Rückgang von Gletschereis über längere Zeiträume zu beobachten und zu dokumentieren.

Dr. Helmut Staudenrausch vom DLR Raumfahrtmanagement erklärte anlässlich des Starts, dass die Genauigkeit der von den Satelliten gesammelten Daten problemlos ausreicht, um damit hochgenaue Eiskarten zu erstellen. In diesen Karten sind zum Beispiel die Positionen von Eisbergen festgehalten. Die Karten ermöglichen Vorhersagen der Entwicklung der Eisbedeckung von und sichere Schiffspassagen durch die Gewässer in den Polarregionen.

Sentinel 1A und Sentinel 1B sollen die Erde künftig auf polarem, sonnensynchronen, 98,2 Grad gegen den Erdäquator geneigten Orbit um 180 Grad „zeitversetzt“ umkreisen. Das ermöglicht eine Wiederholrate von sechs Tagen, was bedeutet, dass die selbe Stelle der Erdoberfläche alle sechs Tage von einem der beiden Satelliten überflogen wird und dabei aus dem All abgetastet werden kann.

Neben der Möglichkeit, erfasste Daten per Funk an eine geeignete Bodenstation zu übertragen, steht den Sentinel-1-Satelliten auch die Möglichkeit zur Verfügung, die Daten via Laserlicht an geeignete Relaissatelliten des europäischen Datenrelaissatellitensystems (European Data Relay Satellite System, EDRS) zu übertragen, welche die Daten anschließend im K_a-Band (27 bis 40 GHz) an ins Copernicus-Netz integrierte Bodenstationen funken können.

Zur Laserkommunikation sind die Satelliten mit Laserkommunikationsterminals (Laser Communications Terminals, LCTs) von der Firma Tesat Spacecom GmbH aus Backnang ausgerüstet. Die Kommunikation selbst erfolgt mit phasenmoduliertem Laserlicht bei einer Wellenlänge von 1.064 Nanometern.

Beide Sentinel-1-Satelliten wurden auf eine Regeleinsatzdauer von jeweils sieben Jahren hin ausgelegt. Die Treibstoffmenge, mit der die Satelliten betankt wurde, ermöglicht einen Einsatz von bis zu zwölf Jahren pro Satellit, soweit nicht Treibstoff für unvorhergesehene Manöver eingesetzt werden muss.

Eine unter der Ägide von Arianespace betriebene Rakete vom Typ Sojus 2.1a vom ZSKB Progress bzw. RKZ Progress aus Russland war es, die um 23:02 Uhr MESZ (exakt 6:02 und 13 Sekunden Ortszeit) am 25. April 2016 vom Startzentrum in Kourou in Französisch-Guayana mit den Satelliten unter der Verkleidung an der Spitze abhob.

Der Start erfolgte nach zwei wetterbedingten Aufschüben und einem weiteren Tag Verzögerung, der zum Austausch einer Intertialsensoreinheit der Trägerrakete erforderlich war. Sämtliche Stufen der Rakete arbeiteten wie vorgesehen. Rund 23 Minuten nach dem Start setzte die russische, von Lawotschkin gebaute Raketenoberstufe vom Typ Fregat Sentinel 1B gegen 23:26 Uhr MESZ im All aus.

Der Erdbeobachtungssatellit durchlief in der Folge eine rund zehn Stunden dauernde Sequenz, auf deren Programm unter anderem das Entfalten der beiden Solarzellenausleger und der Radarantenne stand. Am 27. April 2016 teilte die ESA mit, dass die beiden jeweils rund zehn Meter langen Solarzellenausleger mit ihren jeweils fünf Elementen und die ebenfalls aus fünf Elementen bestehende Radarantenne nach Kommandos aus dem Kontrollzentrum in Deutschland erfolgreich entfaltet wurden. Vom Europäischen Satellitenkontrollzentrums der ESA (ESOC) in Darmstadt aus wird die sogenannte Launch and Early Orbit Phase (LEOP) für Sentinel 1B betreut und abgewickelt.

Erste Signale von Sentinel 1B im X-Band hat die italienische Bodenstation Matera, ein Bestandteil des Copernicus-Netzwerks für Empfang und Transport der Daten der Sentinel-1-Radaranlagen, bereits empfangen.

Die Oberstufe absolvierte nach dem Aussetzen von Sentinel 1B eine auf eine Stunde und 36 Minuten angesetzte Freiflugphase, der eine 12 Sekunden lange Brennphase folgte. Nach deren Beendigung wurden die Kleinstsatelliten auf einer um rund 200 Kilometer abgesenkten Bahn zwei Stunden und 48 Minuten nach dem Abheben gegen 1:50 Uhr MESZ am 26. April 2016 ausgesetzt.

Vor der Abtrennung von MicroSCOPE standen weitere Brenn- und Freiflugphasen der Oberstufe – die Bahn musste wieder um rund 200 Kilometer angehoben werden. Der ersten, laut Plan 42 Minuten und 6 Sekunden langen Freiflugphase folgte ein auf 12 Sekunden angesetzter Triebwerkseinsatz. Der zweiten Freiflugphase von 24 Minuten hatte sich eine 16 Sekunden lange Brennphase anzuschließen.

Etwas über vier Stunden nach dem Abheben war dann auch für MicroSCOPE gegen 3:03 Uhr MESZ am 26. April 2016 der Zeitpunkt für den Beginn seines Soloflugs gekommen. Die Entfaltung der Solarzellenausleger des Forschungssatelliten erfolgte kurz nach dem Aussetzen des Satelliten. Die insgesamt fünfte Brennphase der Fregat-Oberstufe mit einer Dauer von 29 Sekunden war anschließend dazu gedacht, für einen Wiedereintritt der Oberstufe über dem Atlantik zu sorgen.

MicroSCOPE enstand bei der CNES mit Unterstützung der ESA sowie den Partnern CNRS, DLR, INSU, OCA, ONERA und ZARM. Der Satellit soll mindestens zwei Jahre auf seinem sonnensynchronen, 98,2 Grad gegen den Erdäquator geneigten Orbit eingesetzt werden. Eine Missionsverlängerung für den in rund 711 Kilometern Höhe um die Erde kreisenden Satelliten um ein Jahr ist angedacht.

Zentrale Aufgabe von MicroSCOPE ist es, das Äquivalenzprinzip als Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie (ART) im Vakuum und bei Schwerelosigkeit zu überprüfen. Dabei gilt es zu ermitteln, wie sich exakt positionierte zylinderförmige Testmassen aus unterschiedlichen Materialien und aus gleichem Material im freien Fall verhalten. Eine der Testmassensätze besitzt Elemente aus Titan und aus einer Legierung aus Platin und Rhodium. Der andere Satz beinhaltet nur Massen aus Platin und dient als Kontrollreferenz. Erwartet wird, dass alle diese Massen die gleiche Beschleunigung beim freien Fall im Vakuum erfahren.

Neueren Theorien – zum Beispiel aus dem Bereich der Superstrings – zufolge könnten elektromagnetische und atomare Interaktionen in extrem niederschwelligem Bereich zu einer Abweichung von dem Äquivalenzprinzip entsprechenden Verhalten träger und schwerer Masse führen. (Schwere Masse ist eine solche mit einem Gewicht, träge Masse ist eine, die einer Beschleunigung einen Widerstand entgegensetzt).

Deshalb will man die Relativbewegung der beiden Testmassen über Monate mit hoher Genauigkeit beobachten. Sollte sich herausstellen, dass für die exakte Positionierung einer der Testmassen eine abweichende Kraft benötigt wird, wäre das Äquivalenzprinzip vermutlich verletzt. Bei den Messungen kommen elektrostatische Differential-Beschleunigungsmesser zum Einsatz.

Die bei dem Experiment erwartete Genauigkeit ist um zwei Größenordnungen besser als bei Experimenten am Erdboden erreichbar. Trotzdem erwartet Professor Dr. Hansjörg Dittus, DLR-Vorstand für Raumfahrtforschung und -technologie und als Wissenschaftler beteiligt, nicht, dass man eine Abweichung vom Äquivalenzprinzip detektieren wird, da die erreichbare Genauigkeit dafür vermutlich noch nicht ausreicht. Für den Ausschluss verschiedener Quantengravitationstheorien könnte MicrosCOPE aber ein Schlüsselexperiment werden, meint Professor Dr. Claus Lämmerzahl vom ZARM (Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation).

Sentinel 1B ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 41.456 und als COSPAR-Objekt 2016-25A. MicroSCOPE ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 41.457 und als COSPAR-Objekt 2016-25B. Die mitgeflogenen drei Kleinstsatelliten dürften Katalogbezeichnungen von 41.458 bis 41.460 bzw. 2016-025C bis 2016-025E erhalten.

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