Gravity Probe

Gravity Probe (engl. Schwerkraftsatellit bzw. -sonde) umfasst eine suborbitale Sonde (A), einen bereits gestarteten (B) und zwei geplante (C) Satelliten, die in Anwendung von Aussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein zur experimentellen Überprüfung von Annahmen und Modellen über Verteilung und Bewegung der Erdmasse dienen. Siehe auch Tests der allgemeinen Relativitätstheorie.

Gravity Probe A

Gravity Probe A untersuchte am 16. Juni 1976 die Beeinflussung der Zeit durch die Gravitation. Eine Sonde mit einer extrem genauen Atomuhr wurde auf ca. 10.000 km Höhe gebracht, um danach wieder zur Erde zurückzufallen. Radioübertragungen der von der Atomuhr gemessenen Zeit bestätigten die gravitationsbedingte Zeitdilatation. Außerdem lieferte das Experiment eine Messung des Äquivalenzprinzips mit einer Genauigkeit von 200 ppm.

Satellit Gravity Probe B

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 der österreichische Mathematiker Josef Lense (1890–1985) und der österreichische Physiker 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 NASA-Wissenschaftern der 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

Gravity Probe B startete am 20. April 2004 um 9:57:24 PDT an Bord einer Delta II.

Nach den Vorhersagen der Physiker 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 Tischtennisballs (3,8 cm), die im Vakuum mit 10.000/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, sogenannter 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 750 Millionen US-Dollar.^[1]

Der Satellit wurde am 20. April 2004 vom US-Luftwaffenstützpunkt Vandenberg an Bord einer Delta II 7920-Rakete erfolgreich gestartet. Die Bahn des Satelliten führt in einer Höhe von ca. 740 km über die beiden Pole.

Der Beginn der Messung war am 28. August 2004 und das Experiment endete am 29. September 2005 nach 395 Tagen. Die Analyse der Messwerte dauerte dann bis zum Dezember 2008. Es traten während des Experimentes zwei unvorhergesehene Probleme (beschrieben als misalignment torque und roll-polhode resonance torque) an den Gyroskopen auf, welche zu einer Verfälschung der Messwerte in dem Ausmaß führten, dass die eigentlich zu messenden Effekte zunächst verdeckt wurden. Nachdem die Probleme analysiert und die Ursachen verstanden waren, konnte bis August 2008 der Messfehler systematisch aus den Messdaten eliminiert werden.

Im Abschlussbericht (datiert 31. Dezember 2008, veröffentlicht 2. Mai 2009)^[2] wird ausgeführt, dass nach Abschluss der ersten Auswertungsphase beide Vorhersagen durch das Experiment belegt werden konnten. In einer weiteren Auswertungsphase sollen noch mehr der gewonnenen Daten (274 Tage) betrachtet werden. Dies soll dann zur Reduktion der statistischen Messungenauigkeit der bisherigen Ergebnisse (154 Tage) führen. ^[3] Der endgültige Schlussbericht wurde im Mai 2011 veröffentlicht.^[4][5][6]

Einige Forscher halten Gravity Probe B für Geldverschwendung, da während ihrer langen Planungsphase bis zu ihrem Start schon andere Missionen ähnliche Ergebnisse erbracht hatten.^[7]

Gravity Probe C

Gravity Probe C (GP-C) ist eine mögliche zukünftige Mission, die sich noch in der frühen Planungsphase befindet und aus zwei Satelliten bestehen soll, die die Erde in entgegengesetzter Richtung auf äquatorialen Umlaufbahnen umkreisen. Laut Allgemeiner Relativitätstheorie sollen sich durch gravitomagnetische Effekte (verursacht durch die Erdrotation) die Umlaufzeiten um ca. 100 ns unterscheiden. Um andere Effekte herausrechnen zu können, muss vor der Mission das Gravitationsfeld der Erde noch genauer untersucht werden. ^[8][9]

Siehe auch

• LAGEOS
• GRACE

Weblinks

 Commons: Gravity Probe B – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• NASA: Informationen zu Gravity Probe A (englisch)
• A. Coleman, C. Lundquist: Guide to the Gravity Probe A Collection. M. Louis Salmon Library - University of Alabama in Huntsville, 2006, abgerufen am 19. April 2011 (PDF, englisch). 
• Seite der Stanford University über Gravity Probe B (englisch)
• Seite des NASA Kennedy Space Centers zu Gravity Probe B (englisch)
• William Hartensteins Fotos vom Start von Gravity Probe B (englisch)

Einzelnachweise

1. ↑ 52 Years and $750 Million Prove Einstein Was Right nytimes.com, abgerufen am 5.Mai 2011
2. ↑ "The Gravity Probe B Experiment", Science Result - NASA Final Report, Francis Everitt, Barry Muhfelder, Tom Langstein, Stanford Press Department)
3. ↑ Testing Einstein in Space - The Gravity Probe B Mission Public Lecture by GP-B Principal Investigator, Francis Everitt, May 18, 2006, stanford.edu/, abgerufen am 2. Mai 2011
4. ↑ Nasa-Satellit bestätigt Einstein-Theorie spiegel.de
5. ↑ NASA Announces Results of Epic Space-Time Experiment science.nasa.gov
6. ↑ C. W. F. Everitt, et al.: Gravity Probe B: Final results of a space experiment to test general relativity. Abstract@Physical Review Letters, [e-mail], abgerufen am 1. Juni 2011
7. ↑ http://www.spektrumdirekt.de/artikel/1071381 Eugenie Samuel Reich: GRAVITY PROBE B, Teure Probe aufs Exempel in spektrumdirekt.de, Exlusive Übersetzung aus NATURE © Nature Datum: 13. Mai 2011, Abgerufen: 13. Mai 2011
8. ↑ Seite des Instituts für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften zu Gravity Probe C iwf.oeaw.ac.at, abgerufen am 2. Mai 2011
9. ↑ Frank Gronwald,et al.:Gravity Probe C(lock) - Probing the gravitomagnetic field of the Earth by means of a clock experiment. Abstract@NASA ADS, abgerufen am 5.Mai 2011