Lense-Thirring-Effekt

Satellit Gravity Probe B

Lense-Thirring-Effekt und Gravity Probe B

Gravity Probe B (GP-B) ist eine Satelliten-Mission zur erstmaligen experimentellen Überprüfung zweier Aussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. Untersucht werden soll der Einfluss von Objekten auf die Struktur von Raum und Zeit:

1) Die gekrümmte Raumzeit: Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass eine Masse im Raum, beispielsweise die Erde, die lokale Raumzeit verformt, indem diese eine Delle bzw. Krümmung der Raumzeit erzeugt.

2) Der Lense-Thirring-Effekt (Frame-dragging-Effekt): Wenige Jahre nachdem Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte, sagten 1918 die beiden österreichischen Physiker Joseph Lense (1890 - 1985) und Hans Thirring (1888 - 1976) voraus, dass die Rotation einer Masse im Raum die lokale Raum-Zeit mit sich zieht und diese dadurch verdrillt.

In dem Satelliten Gravity Probe B befindet sich ein Gyroskop-Experiment, das gemeinsam von Wissenschaftlern der NASA und der physikalischen Fakultät der Stanford University entwickelt wurde. Das Experiment versucht kleinste Änderungen in der Ausrichtung der Rotationsachsen von vier Gyroskopen (Kreisel) nachzuweisen.

Wirkung der gekrümmten Raumzeit und des Frame-dragging-Effekts auf das Gyroskop

Nach den Vorhersagen der Wissenschaftler sollten sich die Rotationsachsen der Gyroskope pro Jahr um 6,6 Bogensekunden (1 Bogensekunde = 1/3600 Grad) auf Grund der Raumzeit-Krümmung neigen und um 42 Milli-Bogensekunden durch den Lense-Thirring-Effekt. Die Messung derartig kleiner Änderungen der Rotationsachse ist eine extreme Herausforderung an die Experimentiertechnik. Die eigens für diese Mission entwickelten Gyroskope bestehen aus Quarzkugeln von der Größe eines Tennisballs, die im Vakuum mit 10.000 U/min. rotieren. Sie werden auf 1,8 K abgekühlt, so dass ihre mit Niob beschichtete Oberfläche supraleitend wird. Die Veränderungen der Rotationsachse werden mittels hochempfindlicher supraleitender Quanteninterferenz-Detektoren, so genannter SQUIDs, gemessen. Auf diese Weise sind Veränderungen von 1/40.000.000 Grad messbar. Unter diesem Winkel erscheint ein Stecknadelkopf im Abstand von 1.000 km. Der Effekt der Raumzeit-Krümmung wird mit einer Präzision von 0,01% messbar sein, was den bisher genauesten Test der allgemeinen Relativitätstheorie überhaupt darstellt. Selbst der Lense-Thirring-Effekt wird noch mit einer Genauigkeit von 1% messbar sein.

Die Kosten der Mission belaufen sich auf 700 Millionen US-Dollar.

Der Satellit wurde am 20. April 2004 vom US-Luftwaffenstützpunkt Vandenberg an Bord einer Delta II-Rakete erfolgreich gestartet. Die Bahn des Satelliten führt in einer Höhe von ca. 740 km über die beiden Pole.

Gravity Probe A untersuchte 1976 die Beeinflussung der Zeit durch die Gravitation. Ein Detektor mit einer extrem genauen Uhr auf einer Umlaufbahn von 10.000 km bestätigte diese These. Außerdem lieferte der Detektor die bisher genaueste Messung des Äquivalenzprinzips mit 200 ppm.

Quelle: http://www.matheboard.de/lexikon/Gravity_Probe,definition.htm

Link zum derzeitigen Stand der Auswertung von Gravity Probe B >>>

Auch das Abstoßungsprinzip (T.A.O.- Matrix-Theorie) kann den Effekt erklären:

Das sphärische Impulsfeld eines Massekörpers reicht ja über seine materiell wahrnehmbaren Grenzen hinaus und wird kontinuierlich durch die wegströmenden Impulse aufgebaut. Obwohl dieser Aufbau mit mindestens Lichtgeschwindigkeit erfolgt (meiner Rechnung nach aber mit 4-facher Lichtgeschwindigkeit), wirkt sich die Rotation des Zentralkörpers auf das Feld aus (Abbildung 1). Es kommt dadurch zu einer Verzerrung des Feldes (des "Raumes") bzw. zu einem Nachziehen der Impulse. In der ART sagt man, der Massekörper reißt die Raumzeit mit und verzerrt sie etwas.

Würde sich ein statisches (Newtonsches) Gravitationsfeld einfach mitdrehen, so wäre der L.T.-Effekt nicht nur wesentlich stärker, sondern müsste mit zunehmendem Abstand sogar unverändert bleiben, da das schwächere Feld (1/r²) durch die höhere Tangentialgeschwindigkeit ausgeglichen würde. Die Berechnungen der ART und die bisherigen Daten zeigen aber, dass der Effekt, der sich aus 2 Komponenten zusammensetzt, nicht der 1/r²-Abhängigkeit unterliegt, sondern mit zunehmendem Abstand sehr schnell schwächer wird - also nur in Massennähe deutlich ausfällt.

Abb.1Abb.2

Das lässt die Abbildung 2 deutlich erkennen. Das Feld dreht sich ja insgesamt nicht mit, und nur in der Nähe des Zentralkörpers kommt es zur Verzerrung, die natürlich extrem klein ist.

Wir haben demnach 2 Effekte:

1) Die sphärische Kraftverteilung analog zur Krümmung der Raumzeit in der ART, die wir im Abstoßungsprinzip mit der "Krümmkraft" gefunden haben. Die Delle entsteht durch den gegenseitigen Schub von Alldruck und Eigendruck eines Körpers. Ein in diese Kräftebeziehung eingebrachter Flugkörper unterliegt dadurch der Geodätischen Präzession.

2) Die rotationsbedingte Verzerrung des Feldes analog zum Mitziehen und Verdrillen der Raumzeit in der ART - das führt zum Frame-Dragging-Effekt, also zum eigentlichen Lense-Thirring-Effekt.

Wenn wir beachten, dass die Effekte mit dem zeitlichen Aufbau des Feldes zusammenhängen und damit die Kräfteverteilungen im Raum (Mannigfaltigkeiten, Metrik) definiert werden, verstehen wir auch, warum zur Beschreibung dieser Kräfte stets beides, Raum und Zeit beachtet werden müssen. Das gibt uns zumindest eine Ahnung davon, was Einstein mit seiner Raumzeit eigentlich gemeint haben könnte. Wir dürfen ja nicht vergessen, dass die ART von den Ideen Ernst Machs inspiriert wurde, der einen Zusammenhang aller universellen Massen untereinander vermutete, weil sich die Massenfelder über die wahrgenommenen materiellen Erscheinungen hinaus prinzipiell ins Unendliche ausbreiten...

21.10.2004 - Physik

Die drehende Erde schleift den Raum hinterher

Präzise Bahnvermessungen von Satelliten bestätigen den von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Lense-Thirring-Effekt

Der Raum verhält sich wie klebriger Sirup, der sich zähflüssig mit der Erde dreht. In der Nähe der Erde ist diese Drehung dabei schneller als im weiter entfernten Raum. Dieser Effekt war bereits 1918 theoretisch vorhergesagt worden und ist jetzt mittels präziser Vermessungen der Bahnen der Satelliten Lageos 1 und Lageos 2 bestätigt worden. Erricos Pavlis von der Universität von Maryland in Baltimore und sein italienischer Kollege Ignazio Ciufolini stellen ihr Ergebnis im Fachmagazin Nature (Bd. 431, S. 958) vor.

Im Jahr 1918 - zwei Jahre nachdem Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte - schlossen die beiden österreichischen Physiker Joseph Lense und Hans Thirring aus Einsteins Theorie, dass eine rotierende große Masse den Raum um sich herum ein wenig mitzieht und ihn dabei verdrillt. Diesen und einige ähnliche Effekte, die unter dem Begriff Gravitomagnetismus zusammengefasst werden, gab es in dem älteren Newtonschen Gravitationsgesetz nicht. Gemeinsam ist diesen Effekten, dass sie nur von sich bewegenden Massen erzeugt werden.

Im Gegensatz zu Sirup kann man jedoch leeren Raum nicht sehen. Wie will man also feststellen, ob der Raum verdrillt wird? Die Antwort ist so einfach wie logisch: durch Objekte wie beispielsweise Satelliten, die sich in diesem Raum bewegen. Da wegen der vergleichsweise kleinen Masse der Erde der von ihr erzeugte Lense-Thirring-Effekt winzig ist, muss die Bahn der Satelliten entsprechend exakt vermessen werden.

Aber das alleine reicht nicht. Es müssen zusätzlich auch alle anderen Abweichungen der Satellitenbahnen von den Idealwerten bekannt sein. Zum Größenvergleich: Der Lense-Thirring-Effekt verursacht bei den von Pavlis und Ciufolina untersuchten Satelliten Lageos 1 und Lageos 2 eine Wanderung der Knoten - das sind die Punkte, in denen die Satellitenbahn die Äquatorebene durchstößt - von 1,9 Metern pro Jahr. Dagegen verursacht die Abweichung der Erde von der idealen Kugelform bei den Satelliten eine Knotenwanderung von mehreren Tausend Kilometern pro Jahr.

Zur Bestimmung dieser Abweichungen konnten die beiden Forscher auf ein vom GeoForschungsZentrum Potsdam bereitgestelltes präzises Gravitationsmodell der Erde zurückgreifen. Die Potsdamer Forscher konstruieren dieses exakte Modell aus Messdaten des Satelliten Grace, eines Gemeinschaftsprojekts der Nasa mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Im Ergebnis weicht der von Pavlis und Ciufolina erhaltene Wert der Knotenwanderung um nur ein Prozent vom theoretisch vorhergesagten Wert ab.

Axel Tillemans

Quelle: http://www.wissenschaft.de/wissen/news/245986.html

Link zum Thema: http://www.wissenschaft.de/wissen/news/228692.html

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