Galileo-Satelliten beweisen ein Schlüsselelement von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie

7 Dezember 2018

Das weltweit genutzte europäische Satellitennavigationssystem Galileo erweist der globalen Physiker-Gemeinde nun einen historischen Dienst. Dank des Systems wurde ein Schlüsselelement von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie so genau wie noch nie gemessen, nämlich wie sich die gravitative Rotverschiebung auf den Lauf der Zeit auswirkt.

Zwei europäische Teams aus der Grundlagenphysik arbeiten parallel an diesem Projekt und haben unabhängig voneinander die Messgenauigkeit des durch die Schwerkraft angetriebenen Zeitdilatationseffekts, die sogenannte gravitative Rotverschiebung, um mehr als fünf Mal verbessert.

Das renommierte Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlichte erst kürzlich die unabhängigen Forschungsergebnisse beider Konsortien. Die Forschungsergebnisse basieren auf den Daten von einem Paar Galileo-Satelliten in elliptischen Umlaufbahnen, die über einen Zeitraum von mehr als 1.000 Tagen gesammelt wurden.

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Zeitverschiebung in MilliardstelsekundenAccess the image

 „Für die ESA ist es sehr erfreulich, die ursprünglich theoretische Annahme solcher Ergebnisse tatsächlich in die Praxis umzusetzen und damit die erste dokumentierte Verbesserung des Gravitations-Rotverschiebungstests seit mehr als 40 Jahren zu verzeichnen“, sagt Javier Ventura-Traveset, Leiter ESA Galileo Navigation Science Office.

„Diese außergewöhnlichen Ergebnisse wurden dank der einzigartigen Eigenschaften der Galileo-Satelliten ermöglicht, insbesondere aufgrund der sehr hohen Stabilität der integrierten Atomuhren, der Genauigkeit, die bei der Orbitbestimmung erreicht wird, und der Verwendung von Laser-Retroreflektoren, die eine unabhängige und sehr präzise Orbitmessung vom Boden aus ermöglichen. All dies sind Erfolgsfaktoren, um Takt- und Umlaufbahn-Fehler zu vermeiden.“

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Falsche UmlaufbahnenAccess the image

Diese parallelen Forschungsarbeiten, genannt GREAT (Galileo gravitational Redshift Experiment with exentric sATellites), wurden unter der Leitung des SYRTE Observatoire de Paris in Frankreich und des deutschen Zentrums für angewandte Raumfahrt­technologie und Mikro­gravitation (ZARM) in Bremen durchgeführt. Das Galileo Navigation Science Office der ESA koordiniert und unterstützt die Forschungsarbeiten mit ihrem Hauptprogramm.

Erfreuliche Ergebnisse eines unglücklichen Unfalls

Diese Erkenntnisse sind übrigens das Resultat eines sehr unerfreulichen Unfalls: Im Jahr 2014 landeten die Galileo-Satelliten 5 und 6 wegen einer nicht korrekt funktionierenden Sojus-Oberstufe in falschen Umlaufbahnen – und konnten somit keine für Navigationsdienste verwertbaren Daten liefern. Daraufhin leiteten ESA-Flugingenieure eine äußerst gewagte Rettungsaktion im Weltraum ein: während die Tiefpunkte der Satelliten-Orbits nach oben korrigiert wurden, konnte die Form der Umlaufbahnen kreisförmiger gemacht werden.

Sobald die Satelliten die gesamte Erde im Blick hatten, konnten ihre Antennen mit dem Heimatplaneten verbunden und die Navigationsinstrumente angeschaltet werden. Heute werden sie als Teil der Such- und Rettungsdienste von Galileo eingesetzt, während ihre Integration in den nominalen Galileo-Betrieb derzeit von der ESA und der Europäischen Kommission einer abschließenden Bewertung unterzogen wird.

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Albert EinsteinAccess the image

Ihre Orbits haben allerdings immer noch eine elliptische Form. Die beiden Satelliten sind in unterschiedlichen Höhen unterwegs und pendeln jeweils zwei Mal am Tag gut 8.500 Kilometer zwischen dem höchsten und tiefsten Punkt hin und her. Und gerade diese regelmäßige Veränderung der Höhe, und damit Gravitationsintensitäten, haben die Satelliten so wertvoll für die Forschungsteams gemacht.

Einsteins Vorhersage wiederholen

Albert Einstein stellte schon vor 100 Jahren die Theorie auf, dass die Zeit in der Nähe eines massereichen Objektes langsamer vergeht. Diese Erkenntnis wurde bereits in mehreren Experimenten nachgewiesen.
Das wichtigste Experiment fand im Jahr 1976 statt, als eine Wasserstoff-Maser-Uhr an Bord der Gravity Probe A in den Weltraum startete, eine Höhe von 10.000 Kilometern erreichte und Einsteins Theorie mit einer Genauigkeit von 140 Teilen pro Million bestätigte.

Tatsächlich muss bei Atomuhren an Bord von Navigationssatelliten berücksichtigt werden, dass sie im Orbit schneller laufen als auf dem Boden. Der Unterschied beläuft sich zwar „nur“ auf einige Zehntel pro Mikrosekunde – aber wenn dieser nicht korrigiert werden würde, käme pro Tag eine Navigations-Ungenauigkeit von ganzen 10 Kilometern zusammen.

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Gravity Probe AAccess the image

Die beiden Expertenteams haben sich auf die stabile Zeitmessung der passiven Wasserstoff-Maser-Uhren an Bord der Galileo-Satelliten verlassen. Diese messen auf eine Sekunde in drei Millionen Jahren genau. Experten in der Galileo-Bodenstation verhindern das Abweichen der Uhren.

"Die Tatsache, dass die Galileo-Satelliten passive Wasserstoff-Maser-an Bord haben, war für die erreichbare Genauigkeit dieser Tests unerlässlich", sagte Sven Hermann vom Zentrum für angewandte Raumfahrt­technologie und Mikro­gravitation.

"Während jeder Galileo-Satellit zwei Rubidium- und zwei Wasserstoff-Maseruhren trägt, ist nur einer von ihnen aktiv und sendet den Takt. Wir konzentrieren uns während der Beobachtungszeit auf die Zeiträume, in denen die Satelliten mit PHM-Uhren senden und bewerten die Qualität dieser wertvollen Daten sehr sorgfältig. Kontinuierliche Verbesserungen in der Verarbeitung und insbesondere in der Modellierung der Uhren könnten in Zukunft zu besseren  Ergebnissen führen."

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Tag der Galileo-BeobachtungAccess the image

Die Ergebnisse verbessern

Die größten Herausforderungen während der dreijährigen Forschungsarbeit war das Verfeinern der Messungen der gravitativen Rotverschiebung. Dafür mussten systematische Effekte ausgemerzt werden: etwa Taktfehler und Orbitverschiebungen, die aufgrund verschiedener Faktoren, wie zum Beispiel dem Äquatorwulst der Erde, auftreten können, oder der Einfluss des Erdmagnetfeldes, Temperaturschwankungen und sogar der minimale, aber beständig auftretende Effekt des Sonnenlichts, der sogenannte „Sonnenstrahlungsdruck“.

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Passive Wasserstoff-Maser AtomuhrAccess the image

"Eine sorgfältige Simulation und Kontrolle dieser systematischen Fehler war unerlässlich. Die Stabilitätswerte lagen bei bis zu vier Pikosekunden über die 13-stündige Umlaufzeit der Satelliten, das ist der viermillionste Teil einer Millionstelsekunde", sagt Pacôme Delva vom SYRTE Observatoire de Paris.

"Hierfür war die Unterstützung vieler Experten erforderlich, insbesondere die Expertise der ESA dank ihrer Kenntnisse des Galileo-Systems."

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Lasermessstelle in PotsdamAccess the image

Die präzise Überwachung der Satelliten wurde durch den International Global Navigation Satellite System Service ermöglicht. Der  International Laser Ranging Service ermöglicht den Experten am Boden, die Satelliten zentimetergenau zu überprüfen, indem Laser auf die Retroreflektoren der Galileo-Satelliten gerichtet werden.

Das Navigation Support Office im ESOC-Operationszentrum der ESA in Deutschland bot Unterstützung, indem dessen Experten die referenzstabilen Takt- und Orbitprodukte für die beiden exzentrischen Galileo-Satelliten generierten und auch die Restabweichungen im Orbit nach den Lasermessungen bestimmten.

Mehr Informationen:

Dr Pacôme Delva
SYRTE, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, LNE
Email: pacome.delva@obspm.fr

Dr Sven Hermann
ZARM Center of Applied Space Technology and Microgravity
Email: sven.herrmann@zarm.uni-bremen.de

Dr Javier Ventura-Traveset
Head of Galileo Navigation Science Office, ESA
Email: javier.ventura-traveset@esa.int

Dr Erik Schoenemann
ESOC Navigation Support Office, ESA
Email: erik.schoenemann@esa.int

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