Von Relativität und Saturnsonden

Während die Saturnsonde Cassini-Huygens weiter in Richtung Saturn fliegt, nutzen Wissenschaftler ihre modernen Instrumente für vielseitige Experimente.

Autor: Karl Urban.

Und wieder fliegt eine Sonde quer durch das Sonnensystem, in dem neun Planeten um einen relativ unbedeutenden gelben Stern kreisen. Die Sonde, welche von quasi intelligenten Lebensformen auf dem dritten Planeten des Systems, der durch seine blaue Farbe ins Auge fällt, gebaut wurde, fliegt in Richtung eines Gasriesen mit Ringsystem, der den Namen Saturn trägt.

Aufgrund der Tatsache, dass Saturn etwa 1,3 Milliarden Kilometer von dem kleinen blauen Planeten Erde entfernt ist, fliegt die Sonde mit dem Namen Cassini-Huygens, an mehreren Planeten mit sogenannten Swing-by-Manövern Schwung holend, über sechs Jahre durch das System, um ihr Ziel zu erreichen. Eine Zeit, in der Cassini-Huygens nicht viel zu tun hat, könnte man vermuten.

Doch weit gefehlt. Denn da die Sonde nicht einfach durch den leeren Raum fliegt, sondern mehrmals an Planeten vorbeifliegt, bietet sich den am Projekt beteiligten Wissenschaftlern die Chance, die Instrumente an Bord ausgiebig zu testen. So passierte das Raumfahrzeug, das ein Gemeinschaftsprojekt von der NASA und der europäischen Raumfahrtagentur ESA ist, zum Jahreswechsel 2000/2001 den Jupiter. Damals wurden die Instrumente auf den Gasriesen ausgerichtet, während er zeitgleich von der Jupitersonde Galileo beobachtet wurde – eine Einmaligkeit in der Geschichte der Raumfahrt. Die Mission Galileo endete erst kürzlich, als die Sonde aus Treibstoffmangel in die Atmosphäre des Planeten gelenkt wurde (siehe Goodbye Galileo).

Nun kamen neue Aufgaben auf Cassini-Huygens zu. Denn ein italienischer Wissenschaftler benutzte aktuelle Daten der Sonde dazu, mit unerreichter Genauigkeit die Aussagen von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie zu überprüfen. Immerhin gelang dies etwa 50-mal so genau, wie die exakteste zuvorige Messung. Seine Entdeckung wurde in der Ausgabe vom 25. September des Magazins Nature veröffentlicht und entstand in einem gemeinsamen wissenschaftlichen Programm der NASA und der italienischen Weltraumagentur. Das Experiment stützt sich auf Daten aus dem Sommer 2002, als Cassini-Huygens, die Sonne und die Erde genau auf einer Linie lagen und sich immerhin über eine Milliarde Kilometer zwischen ihnen befand.

Die Forscher untersuchten die Frequenzveränderung der Radiowellen von der Sonde, als diese die Sonne sehr dicht passierten. Das heißt sie maßen genau die Veränderungen der Wellen eines Signals, dass von der Deep Space Network-Station in Goldstone, Kalifornien zur Sonde und wieder zurück geschickt wurde.

Sami Asmar von der Radio Science Group, sagte zum Nutzen des Experiments: Die wissenschaftliche Bedeutung dieser Ergebnisse ist die Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie sowie Einsteins Entwicklungen in unerreichter Genauigkeit. Der technische Nutzen liegt bei unserem Vorhaben, die rauen Bedingungen der Sonne für Radiosignale zu bewältigen.“

Die Forscher maßen, wie stark die Gravitation der Sonne die elektromagnetischen Strahlen „verbiegt“, in diesem Fall das Signal der Sonde, das von der Bodenstation empfangen wurde.
Nach der allgemeinen Relativitätstheorie erzeugen massereiche Objekte wie die Sonne eine Krümmung der Raumzeit, die auch von Radio- und Licht-Wellen durchlaufen werden muss, wenn sie in der Nähe des Objekts vorbeilaufen. Da die Wellen dadurch eine längere Strecke zurücklegen, als sie das auf geradem Weg tun würden, kommen die Signale von Cassini-Huygens später bei der Bodenstation in Kalifornien an. Die Dauer dieser „Verschiebung“ der Ankunft des Signals gibt exakt Auskunft über die Genauigkeit von Einsteins Theorie. Obwohl Abweichungen von der allgemeinen Relativität in manchen kosmologischen Modellen hervorgesagt wurden, konnten bisher keine experimentell nachgewiesen werden.
Diese Überprüfung der Relativität soll nicht die Frage klären, ob die Theorie richtig oder falsch ist. Sie soll vielmehr herausstellen, in wie weit die Theorie die Gravitation in einem realistischen Maße beschreibt.

Bisher konnte das Experiment nicht in der gleichen Genauigkeit durchgeführt werden, da die Korona der Sonne starke Störungen in den Signalen verursacht. Cassini-Huygens ist die erste Sonde, die diesem Problem mit einer neuen Sendetechnik begegnen kann: Sie stellt mehrere Verbindungen auf unterschiedlichen Frequenzen her, die von der ebenfalls neu ausgerüsteten 34 Meter-Antenne in Goldstone empfangen werden können. Dies reduziert die Effekte des interplanetaren und solaren Plasmas auf die Signale. Die Störungen, die durch die Erdatmosphäre verursacht werden, konnten ebenfalls mithilfe einer neuartigen Technik entfernt werden, die eigens für die Cassini-Mission entwickelt worden war.

Das Experiment ist Teil einer ganzen Reihe von Radio-Versuchen während der Flugphase der Mission. Dabei soll auch nach niederfrequenten Gravitationswellen gesucht werden. Gravitationswellen konnten bisher nicht nachgewiesen werden, obwohl sie theoretisch vorhergesagt wurden.

Cassini wird am 1. Juli 2004 in die Umlaufbahn des Saturns eintreten und etwa sechs Monate später die europäische Partnersonde Huygens aussetzen. Diese wird in die Atmosphäre des Saturnmondes Titan eintreten. Bis heute ist unklar, wie es unter den dichten Wolkenschichten des Trabanten aussieht.