Wenn Einsteins Gravitationswellen auf Newtons Gezeiten treffen
Forscher der Freien Universität Berlin entwickelt theoretischen Rahmen, um in hochpräzisen Messungen nach möglichen relativistischen Spuren in den Mondgezeiten zu suchen
Ebbe und Flut lassen sich seit Jahrhunderten mit Newtons Gravitationstheorie sehr genau beschreiben. Doch könnte sich in den Gezeiten auch eine winzige Spur von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie verbergen? Ein Mathematiker der Freien Universität Berlin zeigt in einer neuen Studie, wie man künftig gezielt nach solchen Effekten suchen könnte. Die Arbeit „Frame Degeneracy and Sine-Quadrature Residuals in Lunar Tidal Modeling“ wurde nun im renommierten Fachjournal „The Astrophysical Journal“ veröffentlicht.
Die Anziehungskraft von Mond und Sonne verformt nicht nur die Ozeane, sondern auch die feste Erde. Diese Bewegungen lassen sich mit hochpräzisen Messgeräten erfassen und mithilfe der Newtonschen Gravitation sehr genau berechnen. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt Gravitation jedoch umfassender: Masse und Energie verändern die Raumzeit, Veränderungen dieser Raumzeit können sich als Gravitationswellen ausbreiten. Die neue Studie „Frame Degeneracy and Sine-Quadrature Residuals in Lunar Tidal Modeling“ verbindet die Sichtweisen in einem mathematischen Modell. Das vorgestellte Modell erweitert das klassische Modell der Mondgezeiten um einen zusätzlichen Term. Als theoretische Vorlage dient dabei die sogenannte Kreuzpolarisation einer Gravitationswelle – eine charakteristische Form, in der Gravitationswellen die Raumzeit verformen können.
„Wir behaupten nicht, einen neuen Gravitationseffekt entdeckt zu haben. Wir zeigen vielmehr, wie man gezielt danach suchen könnte“, sagt der Mathematiker Muhittin Eser, vom Fachbereich Mathematik und Informatik der Freien Universität Berlin, und Autor der Studie. „Das Erde-Mond-System ist dafür besonders interessant, weil wir seine Gezeiteneffekte bereits mit sehr hoher Präzision beschreiben und messen können.“
Eine besondere Herausforderung besteht darin, mögliche zusätzliche Signale von bekannten Unsicherheiten zu unterscheiden. Abweichungen von den vorhergesagten Gezeitensignalen können etwa durch die Wahl des Bezugssystems, durch Unsicherheiten bei der Berechnung der Positionen von Erde und Mond oder durch systematische Messfehler entstehen. Die Studie zeigt deshalb, welche Einflüsse kontrolliert werden müssten, bevor ein verbleibendes Signal auf einen zusätzlichen physikalischen Effekt untersucht werden kann.
Grundlage für künftige Präzisionsmessungen
Die Arbeit liefert damit eine quantitative Grundlage, um künftig gezielt nach sehr kleinen Abweichungen von der klassischen Beschreibung zu suchen. Dafür könnten hochpräzise Messungen der Erdanziehung und der Gezeiten sowie geodätische Beobachtungen und Messungen mit Mondlasern herangezogen werden. Bei Letzteren werden Laserpulse zu Reflektoren auf dem Mond geschickt, um die Entfernung zwischen Erde und Mond äußerst genau zu bestimmen.
„Isaac Newton erklärt die Gezeiten äußerst erfolgreich. Albert Einstein zeigt uns, dass Gravitation auch dynamisch ist und sich Veränderungen der Raumzeit wellenförmig ausbreiten können“, sagt Eser. „Unsere Arbeit bringt beide Perspektiven zusammen und fragt, welche Spuren sich daraus in hochpräzisen Messungen finden ließen.“
Dies könnte einen neuen Zugang zu Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie eröffnen. Während Gravitationswellen bislang vor allem anhand gewaltiger kosmischer Ereignisse wie der Verschmelzung von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen untersucht werden, richtet die neue Methode den Blick auf mögliche winzige Signaturen in unserer unmittelbaren astronomischen Umgebung.
Originalpublikation:
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aeacd5
Weitere Informationen:
https://Muhittin Eser, Freie Universität Berlin, Fachbereich Mathematik und Informatik, E-Mail: muhittin.eser@fu-berlin.de
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