Frame Dragging

Es ist ja bekannt, dass Körper mit ihrer Masse das Raum-Zeit-Kontinuum verzerren und so die Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie verursachen, die Einstein vorausgesagt hat.

Dazu kann man sich das schon beinahe legendäre Gummituch vorstellen, auf dem z. B. eine Sonne, repräsentiert durch eine Stahlkugel, liegt und eine Delle verursacht. So wie die Sonne die Raumzeit krümmt, genauso krümmt die Stahlkugel unser Gummituch, schickt man nun eine Murmel - oder einen Planeten - an dieser Masse vorbei, so kann man beobachten, wie sie durch diese Verzerrung abgelenkt wird, was wir als Gravitation bezeichnen.

Was dieses Experiment aber nicht berücksichtigt, ist, dass sich die Sonne dreht und dabei die Raumzeit mitschleift. Dieses Phänomen wird Frame Dragging genannt, und wurde 1918 von Joseph Lense und Hans Thirring (deshalb heißt es auch hier und da Lense-Thirring-Effekt) aus der Allgemeinen Relativitätstheorie abgeleitet. Der Lense-Thirring Effekt bewirkt, dass Objekte, wie Planeten oder Satelliten, in der Nähe von schweren Massen geringfügig von ihrer Bahn, wie sie mit der klassischen Newton'schen Mechanik berechnet wird, abgelenkt werden. Der Nachweis des Frame Dragging könnte deshalb eine weitere wichtige Bestätigung der Einstein'schen Theorie sein.

Im April 2004 wurde deshalb der Satellit Gravity Probe B der NASA gestartet, ausgerüstet mit hochpräzisen Instrumenten zur Lagekontrolle soll er feststellen, ob sich die allgemeine Relativitätstheorie auch in diesem Punkt wieder bestätigt. Seine beiden Ziele sind die Messung der Verzerrung der Raumzeit durch die Masse der Erde und das Frame Dragging.

Als das Experiment vor etwa 40 Jahren angedacht wurde, existierte die Technik noch nicht, die vorhergesagten Abweichungen zu messen, und selbst heute reicht die Messgenauigkeit wahrscheinlich geradeso aus. Für die hohe Präzision der Gyroskope - Kreiselkompasse zur Lagebestimmung - mussten diese reibungsfrei gelagert werden, so dass der Satellit tatsächlich um das Gyroskop herumfliegt; die Steuerdüsen des Satelliten sorgen dafür, dass der äußere Satellit immer den unabhängigen Bewegungen seines Kerns im Gravitationsfeld folgt. Die verwendeten Kugeln, welche die Kreisel ausmachen, sind so präzise geschliffen, dass sie, aufgeblasen auf die Größe der Erde, nur um maximal 2,4 Meter von der perfekten Kugelform abweichen würden.

Zur Lagekontrolle muss man nun aber Messungen an diesem Kreisel vornehmen, möglichst ohne ihn zu berühren, was die Messung ja wieder verfälschen würde. Deshalb hat man den Kreisel gegen externe Magnetfelder abgeschirmt, so dass auf ihn noch etwa ein millionstel Teil des Erdmagnetfelds einwirkt und misst die Änderungen in dem von den Elektronen erzeugten Magnetfelds - bewegte Ladungen erzeugen ein Magnetfeld. Dies geschieht mit sog. SQUIDs (Super-conducting QUantum Interference Devices), supraleitenden Sensoren, die sich quantenmechanische Effekte zu Nutze machen, um selbst geringste Änderungen von der Größe eines billionstel Teils des Erdmagnetfelds zu detektieren. Natürlich besitzt Gravity Probe B nicht nur einen dieser Kreisel, sondern vier, nämlich einen für jede Raumachse und einer für die wissenschaftlichen Experimente. Darüber hinaus verwendet die Sonde den Stern IM Pegasi, als Referenz für die Achsen der Kreisel, so können Abweichungen von diesem Ausgangszustand zu Beginn der Experimente gemessen werden.

Inzwischen sammelt Gravity Probe B seit acht Monaten Daten, davor wurden noch Tests und Kalibrierungen vorgenommen, und man erwartet erste Ergebnisse im Sommer 2006, da man vor der Veröffentlichung noch einmal die Instrumente kalibrieren möchte.

Etwas länger als Gravity Probe B sind die Satelliten LAGEOS I und II im Weltall, dabei handelt es sich um passive Satelliten, die von der Erde aus mit Lasern angemessen werden, um ihre Lage zu bestimmen; das ist bei weitem nicht so genau, weil man das Magnetfeld der Erde genau kennen muss, um Abweichungen feststellen zu können.

Von 1993 bis 1996 wurden aber eine Reihe von Messungen mit diesen Satelliten durchgeführt, die erstmals eine direkte Beobachtung des Lense-Thirring-Effekt ermöglichen sollten. Man konnte eine Abweichung von den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von 10% nachweisen, allerdings bei einem Fehlerbereich von 20%, der 1998 auf 5% reduziert werden konnte, weil man das Bild der Erdgravitation verfeinert hat. Gravity Probe B soll diesen Fehler auf weniger als 1% drücken.

Die Experimente mit diesen Satelliten sind aber nicht die einzige Möglichkeit das Phänomen zu beobachten, gerade Schwarze Löcher oder Neutronensterne scheinen interessante Kandidaten zu sein, denn ihre große Masse erzeugt natürlich auch einen größeren Effekt.

1997 wurden Röntgenspektren von Schwarzen Löchern u. a. mit dem Rossi X-ray Timing Explorer der NASA untersucht. Schwarze Löcher kann man zwar nicht direkt beobachten, aber viele von ihnen besitzen eine Akkretionsscheibe, in der die Materie um das Schwarze Loch kreist und zermahlen wird, bevor sie hineinstürzt. Durch die Reibung in der Akkretionsscheibe wird diese extrem heiß und emittiert Röntgenstrahlung - diese entsteht durch die Bewegung der elektrischen Ladungen - und Gasjets senkrecht zur Ebene der Akkretionsscheibe.

Cui, Zhang und Chen vom MIT, der NASA und der Universität Maryland haben diese Emissionen an den beiden Schwarzen Löchern GRS 1915+105 und GRO J1655-40 untersucht.

Auf die Rotationsgeschwindigkeit der beiden Objekte konnte von den Wissenschaftlern anhand der stärksten Röntgenstrahlen aus dem Spektrum geschlossen werden, die am Rand des Schwarzen Lochs entsteht, wo die Materie am heißesten und schnellsten ist. Aus den Daten schlossen sie, dass die Oszillation in dieser Strahlung auf die Präzession - Taumelbewegung - der Scheibe zurückzuführen ist. Diese Taumelbewegung könnte ihre Ursache im Mitschleifen der Raumzeit haben, aber das ist aus den Daten nicht endgültig abzuleiten, weil die Beobachtung auch andere Ursachen haben könnte. Deshalb war es nötig, selbst nach diesen viel versprechenden Beobachtungen ein kontrolliertes Experiment mit der Gravity Probe B durchzuführen.

Aber Frame Dragging könnte noch ganz andere ungeahnte Folgen haben - Zeitreisen. Laut Professor Ronald Mallett von der Universität Connecticut könnte die Raumzeit so gekrümmt werden, dass Zeitreisen möglich werden. Die Idee dabei ist, dass langsames Licht - und man kann Licht ja inzwischen mit Schrittgeschwindigkeit fließen lassen - die Raumzeit ebenfalls beeinflusst, also sollte ein Laserstrahl, der sich im Kreis um ein Objekt bewegt - z. B. durch einen Lichtleiter die Raumzeit krümmen. Derzeit versucht Mallett Geldgeber zu finden, die erste Experimente in diese Richtung finanzieren.
 


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