Lense-Thirring-Effekt

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Der Lense-Thirring-Effekt (auch: Frame-Dragging-Effekt) ist ein im Jahr 1918 von dem Mathematiker Josef Lense und dem Physiker Hans Thirring[1] theoretisch vorhergesagter physikalischer Effekt, der sich aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ergibt. Er fällt in die Klasse der gravitomagnetischen Effekte.

Der Effekt beschreibt die Beeinflussung des lokalen Inertialsystems durch eine rotierende Masse, was man sich vereinfacht (und dementsprechend nicht ganz präzise) so vorstellen kann, dass die rotierende Masse den Raum um sich herum wie eine zähe Flüssigkeit geringfügig mitzieht und dadurch die Raumzeit verdrillt.

Experimenteller Nachweis[Bearbeiten]

Derzeit wird noch diskutiert, ob den Wissenschaftlern um Ignazio Ciufolini von der Universität Lecce und Erricos Pavlis von der University of Maryland in Baltimore im Jahr 2004 der experimentelle Nachweis des Effektes gelungen ist. Sie vermaßen dafür die Bahnen der geodätischen Satelliten LAGEOS 1 und 2 präzise. Deren Position und Lage sollte von der sich drehenden Masse der Erde beeinflusst werden. Die Genauigkeit der Tests mit den Satelliten LAGEOS ist derzeit umstritten, Schätzungen reichen von[2] 10% auf[3][4][5] 20-30% und sogar darüber hinaus. 2013 erschien ein Übersichtsartikel von G. Renzetti über Versuche, den Lense-Thirring-Effekt mit Erdsatelliten zu messen.[6]

Die beiden Satelliten wurden 1976 und 1992 in eine Umlaufbahn gebracht, um kleine Effekte auf der Erdoberfläche wie das Driften der Kontinente, nacheiszeitliche Hebungsvorgänge und jahreszeitliche Schwankungen der Erdrotation zu bestimmen. Ihre Position lässt sich mit Hilfe reflektierter Laserstrahlen auf 1 bis 3 cm genau messen, so dass die Verdrillung der Raumzeit quantitativ mit den rund 400 kg schweren Erdtrabanten bestimmt werden kann. Dabei bewegen sich gemäß der theoretischen Vorhersage die Verdrehungswinkel der Raumzeit durch die rotierende Erdmasse bei etwa 12 Millionstel Grad. Wenn der Effekt tatsächlich existiert, so müssen die beiden Satelliten den gekrümmten Flugbahnen der verdrillten Raumzeit folgen.

Trotz möglicher Fehlerquellen durch das uneinheitliche Schwerefeld der Erde reichten die zentimetergenauen Positionsbestimmungen der LAGEOS-Satelliten nach Meinung der Experimentatoren aus, um diesen relativistischen Effekt nachweisen zu können.

Ein weiteres Nachweis-Experiment wurde zwischen 28. August 2004 und 14. August 2005 mit Hilfe des NASA-Forschungssatelliten Gravity Probe B durchgeführt. Auch diesem Experiment ist mittlerweile, trotz einer unerwarteten Fehlerquelle, nach Ansicht der Experimentatoren der Nachweis des Effekts gelungen. Bald wurde klar, dass die angestrebte Genauigkeit von 1 % der Effektgröße um mindestens einen Faktor 2 verfehlt worden war.[7] Die endgültige Auswertung ergab einen Wert, der bis auf 5 % der Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie von -39,2 Millibogensekunden pro Jahr entsprach.[8] Die letzten Auswertungen (April 2011) der Daten ergaben eine erneute Bestätigung dieses Effektes.[9][10]

Im Februar 2012 startete an Bord der ersten Rakete vom Typ Vega die LARES-Mission mit dem primären Ziel der endgültigen Bestätigung des Effektes. Die Mission ist auf einen Betrieb bis 2016 ausgelegt.[11] Die tatsächliche erreichbare Genauigkeit wird kontrovers diskutiert.[12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23]

Auswirkungen[Bearbeiten]

Der Lense-Thirring-Effekt wird außerdem für die enorme Leuchtkraft von Quasaren verantwortlich gemacht. Er ermöglicht dem in ein schwarzes Loch fallenden Plasma der Akkretionsscheibe eine stabile Umlaufbahn sehr dicht am Schwarzschildradius, wodurch dieses heißer werden kann als bei einem nicht rotierenden schwarzen Loch und folglich stärker strahlt.

Außerdem sind die zusammen mit dem Plasma verdrehten Magnetfelder wahrscheinlich für die starke Beschleunigung und Fokussierung der Jets verantwortlich.

Literatur[Bearbeiten]

  • Remo Ruffini, Costantino Sigismondi: Nonlinear gravitodynamics – the Lense–Thirring effect; a documentary introduction to current research. World Scientific, Singapore 2003, ISBN 978-981-238-347-1
  • Bernhard Wagner: Gravitoelektromagnetismus und Lense-Thirring Effekt., Dipl.-Arb.Uni Graz, 2002

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Josef Lense und Hans Thirring: Über den Einfluss der Eigenrotation der Zentralkörper auf die Bewegung der Planeten und Monde nach der Einsteinschen Gravitationstheorie. in: Physikalische Zeitschrift 19 (1918), S. 156–163
  2. I. Ciufolini, Paolozzi A., Pavlis E. C., Ries J. C., Koenig R., Matzner R. A., Sindoni G. and Neumayer H.: Gravitomagnetism and Its Measurement with Laser Ranging to the LAGEOS Satellites and GRACE Earth Gravity Models. In: General Relativity and John Archibald Wheeler, 367. SpringerLink, 2010, S. 371–434, doi:10.1007/978-90-481-3735-0_17.
  3. L. Iorio: An Assessment of the Systematic Uncertainty in Present and Future Tests of the Lense-Thirring Effect with Satellite Laser Ranging. In: Space Science Reviews. 148, 2009, S. 363. arXiv:0809.1373. Bibcode: 2009SSRv..148..363I. doi:10.1007/s11214-008-9478-1.
  4. L. Iorio, Lichtenegger H.I.M., Ruggiero M.L., Corda C.: Phenomenology of the Lense-Thirring effect in the solar system. In: Astrophysics and Space Science. 331, Nr. 2, 2011, S. 351. arXiv:1009.3225. Bibcode: 2011Ap&SS.331..351I. doi:10.1007/s10509-010-0489-5.
  5. L. Iorio, Ruggiero, M.L., Corda, C.: Novel considerations about the error budget of the LAGEOS-based tests of frame-dragging with GRACE geopotential models. In: Acta Astronautica. 91, Nr. 10-11, 2013, S. 141. doi:10.1016/j.actaastro.2013.06.002.
  6. G. Renzetti: History of the attempts to measure orbital frame-dragging with artificial satellites. In: Central European Journal of Physics. 11, Nr. 5, Mai 2013, S. 531-544. doi:10.2478/s11534-013-0189-1.
  7. Statusbericht der Stanford University über Gravity Probe B (Frühling 2008)
  8. C. W. F. Everitt et al.: Gravity Probe B: Final results of a space experiment to test general relativity. in: Physical Review Letters
  9. Welt Online 6. Mai 2011
  10. GP-B STATUS UPDATE — May 4, 2011 einstein.stanford.edu, abgerufen am 13. Mai 2011
  11. Webseite der A.S.I. zur LARES Mission
  12. L. Iorio: Towards a 1% measurement of the Lense-Thirring effect with LARES?. In: Advances in Space Research. 43, Nr. 7, 2009, S. 1148–1157. arXiv:0802.2031. Bibcode: 2009AdSpR..43.1148I. doi:10.1016/j.asr.2008.10.016.
  13. L. Iorio: Will the recently approved LARES mission be able to measure the Lense–Thirring effect at 1%?. In: General Relativity and Gravitation. 41, Nr. 8, 2009, S. 1717–1724. arXiv:0803.3278. Bibcode: 2009GReGr..41.1717I. doi:10.1007/s10714-008-0742-1.
  14. L. Iorio: An Assessment of the Systematic Uncertainty in Present and Future Tests of the Lense-Thirring Effect with Satellite Laser Ranging. In: Space Science Reviews. 148, 2009, S. 363. arXiv:0809.1373. Bibcode: 2009SSRv..148..363I. doi:10.1007/s11214-008-9478-1.
  15. : Recent Attempts to Measure the General Relativistic Lense-Thirring Effect with Natural and Artificial Bodies in the Solar System. In: PoS ISFTG. 017, 2009. arXiv:0905.0300. Bibcode: 2009isft.confE..17I.
  16. L. Iorio: On the impact of the atmospheric drag on the LARES mission. In: Acta Physica Polonica B. 41, Nr. 4, 2010, S. 753–765.
  17. L. Iorio, Lichtenegger H.I.M., Ruggiero M.L., Corda C.: Phenomenology of the Lense-Thirring effect in the solar system. In: Astrophysics and Space Science. 331, Nr. 2, 2011, S. 351. arXiv:1009.3225. Bibcode: 2011Ap&SS.331..351I. doi:10.1007/s10509-010-0489-5.
  18. I. Ciufolini, Paolozzi A., Pavlis E. C., Ries J. C., Koenig R., Matzner R. A., Sindoni G. and Neumayer H.: Gravitomagnetism and Its Measurement with Laser Ranging to the LAGEOS Satellites and GRACE Earth Gravity Models. In: General Relativity and John Archibald Wheeler, 367. SpringerLink, 2010, S. 371–434, doi:10.1007/978-90-481-3735-0_17.
  19. A. Paolozzi, Ciufolini I., Vendittozzi C.: Engineering and scientific aspects of LARES satellite. In: Acta Astronautica. 69, Nr. 3–4, 2011, S. 127–134. doi:10.1016/j.actaastro.2011.03.005.
  20. I. Ciufolini, Paolozzi A., Pavlis E. C., Ries J., Koenig R., Sindoni G., Neumeyer H.: Testing Gravitational Physics with Satellite Laser Ranging. In: European Physical Journal Plus. 126, Nr. 8, 2011. Bibcode: 2011EPJP..126...72C. doi:10.1140/epjp/i2011-11072-2.
  21. I. Ciufolini, Pavlis E. C., Paolozzi A., Ries J., Koenig R., Matzner R., Sindoni G., Neumayer K.H.: Phenomenology of the Lense-Thirring effect in the Solar System: Measurement of frame-dragging with laser ranged satellites. In: New Astronomy. 17, Nr. 3, 2011.08.03, S. 341–346. Bibcode: 2012NewA...17..341C. doi:10.1016/j.newast.2011.08.003.
  22. G. Renzetti: Are higher degree even zonals really harmful for the LARES/LAGEOS frame-dragging experiment?. In: Canadian Journal of Physics. 90, Nr. 9, 2012, S. 883-888. Bibcode: 2012CaJPh..90..883R. doi:10.1139/p2012-081.
  23. G. Renzetti: First results from LARES: An analysis. In: New Astronomy. 23-24, 2013, S. 63-66. Bibcode: 2013NewA...23...63R. doi:10.1016/j.newast.2013.03.001.