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Erste Ergebnisse des MICROSCOPE-Satelliten bestätigen Einsteins Theorie mit bisher unerreichter Genauigkeit

Geschrieben am 04.12.2017 in Kategorie: Mission "MICROSCOPE"

Die Gravitationsphysik hat gerade einen Lauf: Nach dem höchst spektakulären direkten Nachweis von Gravitationswellen, der mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, gibt es eine weitere gute Nachricht: Mit der Satellitenmission MICROSCOPE ist nun der wichtigste Grundpfeiler der Einstein‘schen Allgemeinen Relativitätstheorie, das Äquivalenzprinzip, um den Faktor 10 genauer als bisher bestätigt worden. Einstein triumphiert auf der ganzen Linie. Ein Forschungsteam des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen ist bereits seit 2001 an diesem Projekt beteiligt und führte gemeinsam mit französischen Kollegen die erforderlichen Datenauswertungen durch.

Warum ist dieser Nachweis so relevant?

Das Äquivalenzprinzip besagt, dass alle Objekte in einem Gravitationsfeld, das heißt innerhalb der Anziehungskraft zum Beispiel der Erde, gleich schnell fallen. Voraussetzung ist allerdings, dass Störfaktoren wie der Luftwiderstand ausgeschaltet sind. Man spricht daher auch von der „Universalität des freien Falls“. Diese Annahme ist unabhängig davon, woraus die Objekte bestehen oder wie schwer sie sind. Somit fällt ein Hammer genauso schnell wie eine Feder. Das Äquivalenzprinzip ist eine wesentliche Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Albert Einstein vor mehr als 100 Jahren aufgestellt hat. Die Quantentheorie, die andere große erfolgreiche Theorie des 20. Jahrhunderts, beschreibt die Welt der Elementarteilchen und das mikroskopisch Kleine. Sie ist allerdings unter der Annahme der Gültigkeit des Äquivalenzprinzips nicht mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar. Aus diesem Grund ist die Suche nach einer verbindenden, universellen Theorie zum „heiligen Gral“ der Physik des 21. Jahrhunderts geworden, bei der die experimentelle Überprüfung des Äquivalenzprinzips eine Schlüsselrolle einnimmt.

Die Mission

Der MICROSCOPE Satellit der französischen Raumfahrt Agentur CNES, der mit Beschleunigungssensoren des Forschungsinstituts ONERA ausgestattet ist, wurde am 25. April 2016 gestartet. Die Phase der wissenschaftlichen Messungen begann im Dezember 2016 und erfasste bislang 1900 Erdumrundungen, die zur Untersuchung des Äquivalenzprinzips genutzt wurden. Dies entspricht einem freien Fall von 85 Millionen Kilometern, der Hälfte der Entfernung von Erde und Sonne. Bisher wurden circa zehn Prozent der erfassten Daten von den Teams von ONERA, OCA (Observatoire de la Côte d'Azur) und des ZARM ausgewertet. Die Ergebnisse bestätigen bis auf die 14te Kommastelle genau, dass die Universalität des freien Falls nicht verletzt wurde. Das entspricht einer Genauigkeit von 10-14, also 10 Billiardstel, und verbessert die bisher genaueste experimentelle Bestätigung dieses Prinzips aus dem Jahre 2003 um den Faktor 10. "Das Leistungsvermögen des Satelliten ist viel besser als erwartet. Mehr als 1900 Orbits sind für die Datenanalyse bereits verfügbar, weitere werden folgen und das Ergebnis der Mission weiter verbessern, um die angestrebte Genauigkeit von 10-15 zu erreichen. Dieses erste Ergebnis ist für die Physik von großer Bedeutung und wird sicherlich zur Überarbeitung alternativer Theorien führen ", kommentierte Pierre Touboul, wissenschaftlicher Leiter der Mission bei der CNES. 

Beitrag des ZARM

Einziger internationaler wissenschaftlicher Partner ist das ZARM, dessen Projektanteil vom Raumfahrtmanagement im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. Gemeinsam mit den französischen Projektpartnern hatte das ZARM Erstzugriff auf die Satellitendaten. In Vorbereitung darauf wurden in den letzten Jahren Computer-Simulationen entwickelt und die Datenauswertung getestet. Ein wesentlicher Teil der Entwicklungsarbeit bestand außerdem in Tests des Experimentaufbaus unter Schwerelosigkeit, die im Fallturm am ZARM erfolgten und so die Funktionstüchtigkeit der Instrumente unter Weltraumbedingungen nachgewiesen haben.

Die Forschungsergebnisse von OCA, ONERA, CNES und dem ZARM wurden in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Physical Review Letters (PRL) veröffentlicht.

journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.231101

Quelle

ZARM - Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation
Das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation ist ein wissenschaftliches Institut und betreibt an der Universität Bremen Forschung für den Weltraum und unter Weltraumbedingungen.

Webseite: https://www.zarm.uni-bremen.de/

Darstellung des MICROSCOPE Satelliten
Darstellung des MICROSCOPE Satelliten
© CNES 2012; Illustr. D. Ducros

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