Testfall Sonnensystem

Der Einfluss der Erde

Hipparcos hatte sogar die Chance, zum ersten Mal die Lichtablenkung im Schwerefeld der Erde zu messen, wie Andrew Gould vom Institute of Advanced Study in Princeton, New Jersey, 1993 im Astrophysical Journal schrieb. Das würde den überprüften Gültigkeitsbereich der Relativitätstheorie um zwei beziehungsweise drei Größenordnungen in der Distanz und der Masse zu schwächeren Gravitationsfeldern hin erweitern. Denn bislang ist sie ausschließlich für Skalen von etwa 109 bis 1021 Meter und 10–3 bis 1013 Sonnenmassen getestet.

Ein Lichtstrahl, der an der Erde vorbeistreift, wird durch ihr Schwerefeld umbloß 40 Mikrobogensekunden abgelenkt – entsprechend dem winzigen Winkel, unter dem man einen Tennisballs in Wimbledon vom Mond aus betrachten würde. Gould zufolge hätte Hipparcos diese Leistung im Prinzip mit einer Messunsicherheit von günstigstenfalls zwölf Prozent gelingen können: nicht als Einzelmessung, sondern aus der Kombination aller Positionsbestimmungen der 100.000 Sterne, die der Satellit katalogisiert hat. Ihre relativen Ortsverhältnisse zueinander am Himmel werden – aus der Perspektive der Hipparcos-Umlaufbahn um die Erde – gewissermaßen auch vom irdischen Schwerefeld beeinflusst.

Allerdings ist ein solches Resultat nie veröffentlicht worden und auch nicht aus dem Hipparcos-Katalog abzuleiten, sondern nur aus einer Analyse sämtlicher Sternmessungen. „Die systematischen Messfehler von Hipparcos, um die 0,1 bis 0,2 Millibogensekunden, waren zu groß, um einen solchen Test zu ermöglichen“, erinnert sich Michael Perryman, der Hipparcos-Projektleiter bei der ESA war.

Andrew Gould widerspricht: Bei einer korrekten Datenauswertung fielen diese Messfehler nicht ins Gewicht. Allerdings sei das nicht berücksichtigt worden. Daher waren dem Hipparcos-Team sogar eklatante Irrtümer in manchen Distanzbestimmungen unterlaufen. Der Astrophysiker verbirgt seine Frustration nicht, zumal ein anderer Astrometriesatellit, SIM (Space Interferometry Mission), der den Ablenkungseffekt bei der Erde ziemlich sicher hätte registrieren können, nicht finanziert wurde. „Gaia kann den Test leider nicht realisieren oder allenfalls sehr ungenau, weil sich dieser Satellit über 200 Mal so weit von der Erde entfernt befindet wie Hipparcos“, bedauert Gould.

Neue Präzisionsrekorde

Im Jahr 2013 hat die ESA Gaia als Nachfolgemission von Hipparcos gestartet. Die Astrometriesonde misst 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt 10.000 Mal mehr Himmelsobjekte als ihr Vorgänger, kann deren Positionen bis zu 200 Mal genauer bestimmen und liefert 100.000 Mal so viele Daten wie Hipparcos. Dies wird hoffentlich genügen, um die Voraussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie mit einer Unsicherheit von vielleicht nur noch 0,0001 bis 0,00001 Prozent zu überprüfen. Das liegt in dem Größenordnungsbereich, für den einige alternative Theorien der Schwerkraft Abweichungen prognostizieren. Außerdem soll Gaia eine denkbare Veränderung der Gravitationskonstante mit einer Präzision von besser als 1 zu 10–13 pro Jahr nachweisen können. Und das ist von großer Bedeutung: Erwiese sich diese fundamentale Naturkonstante als nicht exakt konstant, müsste Einsteins Meisterwerk abgeändert oder erweitert werden, wäre also grundsätzlich widerlegt.

Auch die Sternlichtablenkung durch die Gravitation von Planeten, Zwergplaneten und großen Monden wird Gaia erstmals direkt messen sowie eine zusätzliche Ablenkung aufgrund der Abplattung von Jupiter und Saturn. Wenn alle Daten analysiert sind, wird der Himmelskatalog die inzwischen ein halbes Jahrhundert währende Vorherrschaft der Radioastronomie bei relativistischen Präzisionsmessungen brechen und Einsteins Theorie erneut triumphal bestätigen – oder in Schwierigkeiten bringen, was für den Fortschritt der Wissenschaft deutlich faszinierender wäre.

Idealerweise wird Gaia noch bis 2025 den Himmel scannen. Die ESA hat bereits drei große, immer genauere Gaia-Kataloge publiziert. Wann die erste Auswertung zur Relativitätstheorie folgt, ist noch offen. Geleitet wird das Projekt von Sergei A. Klioner, der die relativistische Astrometrie mitbegründet hat und seit den 1990er-Jahren genaue Himmelsberechnungen und -modelle für Gaia entwickelt. Der Professor an der Technischen Universität Dresden schließt gewissermaßen den – himmlischen – Kreis, den Albert Einstein zu zeichnen begann.

Eine der kühnsten Prognosen

Ab April 1911 arbeitete Einstein ein Jahr lang als Physik-Professor an der Universität Prag. Dort sagte er auf der Basis seiner ersten Entwürfe der Allgemeinen Relativitätstheorie den Effekt der Lichtablenkung voraus (allerdings um den Faktor 2 zu gering, wie er im November 1915 in Berlin erkannte, als er die richtigen Feldgleichungen der Gravitation fand). Das war eine der kühnsten Prognosen in der Geschichte der Wissenschaft und erregte im kleinen Kreis der Fachkundigen rasch großes Aufsehen.

Daher suchte Leo Pollak, ein Privatdozent für Geophysik und späterer Pionier der Datenverarbeitung, im August 1911 per Rundschreiben Astronomen, die den von Einstein vorhergesagten Effekt der Lichtablenkung messen könnten. Erwin Freundlich, damals Assistent an der Sternwarte in Babelsberg bei Berlin – heute Sitz des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam –, war sofort begeistert. Er versprach, Fotoplatten einer Sonnenfinsternis von 1905 in Algerien zu analysieren, die in Hamburg aufbewahrt wurden. Die Qualität der Aufnahmen stellte sich später jedoch als unzureichend heraus.

Einstein, obwohl Theoretiker, war sich der praktischen Schwierigkeit des Unterfangens bewusst. Und er betonte die Bedeutung der Überprüfung: „Existiert keine solche Ablenkung, so sind die Voraussetzungen der Theorie nicht zutreffend“, schrieb er am 1. September 1911 von Prag an Freundlich.

Damit nahm Einstein den zwei Jahrzehnte später von dem Philosophen Karl R. Popper begründeten Falsifikationismus in der Wissenschaftstheorie vorweg: Naturwissenschaftliche Gesetzesaussagen müssen sich widerlegen lassen, sonst zählen sie nicht zur empirischen Wissenschaft. Popper war bei seinem 1934 publizierten Buch „Logik der Forschung“ stark von Einstein inspiriert worden. Er hatte 1921 Einsteins Vortrag an der Universität Wien gehört und später mit ihm einen Briefwechsel geführt, der von gegenseitiger Wertschätzung zeugt.

Einstein betonte die Notwendigkeit einer empirischen Überprüfung auch deshalb, weil ihm klar war, dass die Voraussetzungen seiner Theorie „doch recht kühn sind“, wie er 1911 an Freundlich schrieb. „Wenn wir nur einen ordentlich größeren Planeten als Jupiter hätten!“, fuhr er fort. „Aber die Natur hat es sich nicht angelegen sein lassen, uns die Auffindung ihrer Gesetze bequem zu machen.“ Die Sonne bewirkt aufgrund ihrer größeren Masse zwar einen stärkeren Lichtablenkungseffekt, doch lässt sich der aufgrund ihrer gleißenden Helligkeit viel schwieriger messen – außer bei einer totalen Sonnenfinsternis, die allerdings sehr selten ist und sich oft hinter Regenwolken verbirgt.

Theorie und Beobachtung

Trotz aller Schwierigkeiten bei der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie und der enormen Herausforderungen durch die ungewohnte Mathematik behielt Einstein stets die Bedeutung einer empirischen Prüfung im Sinn. Er wusste: Theorien ohne Beobachtungen sind leer, Beobachtungen ohne Theorien sind blind.

Im April 1914 teilte Einstein seinem Freund und Kollegen Paul Ehrenfest in Holland mit: „Astronom Freundlich hat eine Methode gefunden, um die Lichtbrechung durch das Gravitationsfeld des Jupiter nachzuweisen.“ Ähnliches schrieb er am 28. November 1915 an Arnold Sommerfeld in München. Das war wenige Tage, nachdem Einstein nach jahrelangem Irren und Wirren innerhalb weniger Wochen die richtigen Feldgleichungen der Gravitation formuliert hatte – „eine der aufregendsten, anstrengendsten Zeiten meines Lebens, allerdings auch der erfolgreichsten“.

Seine erste ausführliche Darstellung „Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie“ reichte Einstein im März 1916 bei den Annalen der Physik ein, zwei Monate später wurde sie publiziert. Darin betonte er erneut die Wichtigkeit, seine Theorie empirisch zu überprüfen. Er nannte mehrere Möglichkeiten, darunter die Voraussage, ein „an der Sonne vorbeigehender Lichtstrahl“ würde „eine Biegung von 1,7 Bogensekunden, ein am Planet Jupiter vorbeigehender eine solche von etwa 0,02 Bogensekunden“ erfahren.

Einstein machte seinen Einfluss geltend, um die Härtetests seiner Theorie voranzutreiben. Am 7. Dezember 1915 bezeichnete er in einem Brief an Otto Naumann die Lichtablenkung als „die interessanteste und verblüffendste“ Konsequenz seiner neuen Theorie. Er bat den Berliner Ministerialdirektor für universitäre Angelegenheiten darum, Erwin Freundlich von seinen „regulären Pflichten der Messung von Sternörtern für einige Jahre“ an der Sternwarte Babelsberg freizustellen, um dort „den Lichtkrümmungs-Effekt auch an dem Planeten Jupiter“ nachzuweisen, was „allerdings nur durch subtilste fotografische Messungen und Häufung der Beobachtung“ gelingen könne. Weitere Korrespondenzen und Gespräche folgten.

Freundlich zeigte weiterhin großen Eifer. In einem Brief vom 17. Juni 1917 beschrieb er Einstein seine Ideen genauer, nicht nur zu Jupiter. Er berichtete außerdem vom Zuspruch US-amerikanischer Astronomen und seiner Bemühung um den Bau „eines neuen Messapparates für Sternaufnahmen“ durch die Firma Zeiss sowie von „lichtelektrischen Methoden zur Festlegung der Sternörter auf fotografischen Aufnahmen“ der Firma Toepfer in Potsdam – „Vorarbeiten, die für die Astrofotografie überhaupt von Interesse“ seien.

Schließlich hatten Einstein und Freundlich Erfolg. Freundlich erhielt mit der Gründung des neuen Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physikalische Forschung im Dezember 1917 einen mehrjährigen Vertrag zur Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie, beginnend am 1. Januar 1918. Ein experimenteller Durchbruch glückte ihm jedoch bei keinem seiner vielen Vorhaben.

Im Bann des Riesenplaneten

Bis heute ist es nicht gelungen, Einsteins ursprüngliche Idee zu realisieren: Noch nie wurde eine Ablenkung des sichtbaren Lichts im Schwerefeld von Jupiter direkt gemessen. Auch das Hubble-Weltraumteleskop scheiterte 1995 bei einem Versuch.

Immerhin glückte der Test im Radiowellen-Bereich: 1988 wurde der Effekt erstmals mithilfe von Teleskopen in Kalifornien und Australien nachgewiesen, auf 15 Prozent genau. Bei einem weiteren Experiment 2002 ließ sich die Präzision nicht nur beträchtlich steigern (Messunsicherheit 0,8 Prozent), sondern dabei auch die Geschwindigkeit der Gravitation bestimmen. Sie muss sich der Relativitätstheorie gemäß lichtschnell auswirken. Und das ist der Fall im Rahmen der Messgenauigkeit – damals 20 Prozent, mithilfe von Gravitationswellen inzwischen besser als 1 zu 10–15 (bild der wissenschaft 6/2020, „Die Mulden der Schwerkraft“).

Einsteins Jupiter-Wunsch wirkt freilich weiter. So ist Donald Bruns vom Ehrgeiz besessen, den Einfluss des Gasriesen auf vorbeiziehende Lichtstrahlen nachzuweisen. Schon mehrere Jahre arbeitet der Amateurastronom aus San Diego, dem 2017 die beste Messung der Lichtablenkung bei einer totalen Sonnenfinsternis gelungen war, an diesem Ziel. Allerdings passiert der Riesenplanet einen hellen Hintergrundstern nur einmal im Jahr oder noch seltener genügend nah.

„Letztes Jahr habe ich genug Daten gesammelt, um zu demonstrieren, dass die Messfehler von etwa 0,004 Bogensekunden klein genug sind, um eine nahe Lichtablenkung zu zeigen. Das Hauptproblem bleibt, dass die Lichtstreuung von Jupiter die Messungen beeinträchtigt“, sagt Bruns. Zusammen mit dem befreundeten Amateurastronomen Stan Moore hat er bereits an der Teleskop-Programmierung und den Prozeduren der Datenanalyse gearbeitet. Eine Bildverarbeitung am Computer ist dabei unerlässlich.

Das Licht von Jupiters Monden wird ebenfalls vom Gravitationsfeld der mächtigen Gaswelt beeinflusst, und eine geeignete Himmelskonstellation gibt es häufiger. Daher will Bruns auch das messen. „Im Augenblick teste ich, ob sich der Einsatz eines Methanfilters anstelle eines Rotfilters lohnt“, sagt Bruns. „Ein Methan-filter bei 889 Nanometer Wellenlänge erfordert eine viel längere Belichtung von etwa zwei Sekunden. Aber er dunkelt Jupiter ab und zeigt die Monde hell, was ihre Positionsbestimmung erleichtert.“

Vielleicht werden Bruns schon in diesem Sommer gute Messungen gelingen, wenn Jupiter im August und September günstig am Himmel steht. Noch besser werden die Chancen im September und Oktober 2022 sein, weil sich der Planet dann höher über dem Horizont befindet, was den störenden Einfluss von Turbulenzen in der Atmosphäre verringert. „Es ist ein schwieriges Vorhaben, aber ich mache Fortschritte.“

Kontroverse um Jupiters Monde

Bruns wird hier im besten Fall Pionierarbeit leisten – ein schönes Beispiel dafür, wie Amateure noch heute zur Grundlagenforschung beitragen können. „Die Physiker sind sich nämlich nicht einig darüber, ob die Monde weit genug von Jupiter entfernt sind, um eine Lichtablenkung zu zeigen“, sagt Bruns. „Einerseits wurde eine Ablenkung um 0,018 Bogensekunden am Jupiterrand vorhergesagt – derselbe Wert wie beim Streiflicht eines Sterns. Andererseits wurde nur 0,000001 prognostiziert, was sich nicht messen lässt.“ Bruns hält sich aus dieser Kontroverse heraus. Er seufzt schon, wenn er die komplizierten Gleichungen betrachtet. „Die Lösung besteht in einer guten Messung, sie kann die Entscheidung bringen.“

Sergei Kopeikin ist davon überzeugt, dass die unbeeinflusste sowie die lichtabgelenkte Position eines Mondes fast identisch sein müssen. Der Physik-Professor war schon an den Radiomessungen von Jupiter 2002 beteiligt. Seine Begründung ist, dass die übliche, bereits von Einstein benutzte Näherungsformel für den Fall der Monde schlicht nicht gilt. Darauf hatte Kopeikin bereits 1999 in einem Artikel mit Gerhard Schäfer im Fachjournal Physical Review hingewiesen, als er mit ihm gemeinsam an der Universität Jena forschte.

Die Bahn der Lichtstrahlen eines Sterns und eines Mondes an Jupiter vorbei zur Erde unterscheiden sich grundlegend, sagt Kopeikin. Ein Hintergrundstern ist extrem weit von der Sonne entfernt, was den mathematischen Formalismus vereinfacht. Das ist für die geringe Distanz der Monde von Jupiter nicht der Fall, sodass ein zusätzlicher Parameter ins Spiel kommt, der den Ablenkungswinkel rechnerisch unterdrückt. „Obwohl das den Effekt fast zunichte macht, sollte die Messung erfolgen, um sicherzugehen, dass die Gleichungen funktionieren“, meint Kopeikin. „Ich habe Don Bruns deshalb ermuntert, es zu versuchen, auch wenn ich ihm sagte, dass er die Lichtablenkung von Jupiters Monden nicht messen kann.“

Kopeikin bedauert, dass die gegenwärtige Forschung die Tests der Relativitätstheorie im Sonnensystem etwas vernachlässigt, weil der Fokus gerade stark auf die Messungen von Gravitationswellen gerichtet ist, die ganz neue Überprüfungen der Theorie ermöglichen. „Man darf aber nicht vergessen, dass das Sonnensystem weiterhin ein ideales Labor ist, um die Gravitation zu studieren, weil hier alle Positionen, Distanzen und Zeitabstände mit enormer Präzision bekannt sind.“ Das ist für ferne Neutronensterne und Schwarze Löcher nicht der Fall.

Die Jupiter-Messungen sind also nicht nur von historischem Interesse, quasi als anachronistische Auftragserfüllung. Und Gaias sehnsüchtig erwarteter Beitrag zur relativistischen Astrometrie wird völlig neue Maßstäbe setzen – wobei Jupiter hier der Hauptstörenfried ist, dessen verzerrender Gravitationseinfluss wie der vieler anderer Himmelskörper herausgerechnet werden muss, um die akkuraten Sternkarten zu erhalten. Und die werden für ein besseres Verständnis der Milchstraße und des Universums insgesamt dringend benötigt. Insofern sind Einsteins Worte in einem Brief vom 9. Januar 1916 an den Astrophysiker Karl Schwarzschild noch immer aktuell: „Was Jupiter anlangt, sehe ich ein, dass es eine schwierige Aufgabe ist, die da den Astronomen gestellt wird. Aber die Wichtigkeit des Gegenstandes rechtfertigt nach meiner Ansicht nur einen Standpunkt, und der heißt: Es muss gehen!“