Die für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zentrale Gleichheit von Trägheits- und Gravitationsmasse wurde mit beispielloser Empfindlichkeit vom MICROSCOPE-Satelliten bestätigt. Nachdem die französische Mission Beschleunigungsmesserdaten von mehreren tausend Bahnen von zwei Massen im freien Fall um die Erde gesammelt hat, hat sie keine Verletzung des Äquivalenzprinzips auf der Ebene von einigen Teilen in tausend Billionen festgestellt. Missionswissenschaftler sagen, dass eine bessere Kontrolle von thermischem und anderem Rauschen die Präzision um einen weiteren Faktor von 100 steigern könnte, was Tests von Quantengravitationstheorien ermöglicht.
Seit ihrer Veröffentlichung durch Albert Einstein im Jahr 1915 hat die Allgemeine Relativitätstheorie zahlreiche experimentelle Tests mit Bravour bestanden – von der Ablenkung des Sternenlichts durch die Sonne bis zur gravitativen Rotverschiebung von Atomuhren. Doch Physiker halten die Theorie für unvollständig, weil sie im Widerspruch zur Quantenmechanik steht, während die Phänomene Dunkle Materie und Dunkle Energie ungeklärt bleiben. Forscher möchten die Schwerkraft auch mit den anderen drei grundlegenden Wechselwirkungen der Natur vereinen – dem Elektromagnetismus und den starken und schwachen Kernkräften.
Eine Möglichkeit, nach neuen Kraftträgern zu suchen, die von alternativen Gravitationstheorien vorhergesagt werden, besteht darin, das schwache Äquivalenzprinzip immer strengeren Tests zu unterziehen. Dieses Prinzip besagt, dass träge und schwere Masse äquivalent sind. Daher sollten alle Objekte, unabhängig von ihrer Masse und Zusammensetzung, in einem Gravitationsfeld mit der gleichen Geschwindigkeit fallen, wenn sie nicht anderen Kräften ausgesetzt sind – wie z. B. Luftdruckschwankungen. (Die starke Version des Prinzips ist robuster, da sie auch die Auswirkungen der Eigengravitation berücksichtigt, die für große Objekte wichtig wird.)
Eötvös-Verhältnis
Seit Galileo Galilei untersuchen Experimentalisten das Äquivalenzprinzip mit zunehmender Sensibilität. Die in modernen Tests verwendete Metrik ist das Eötvös-Verhältnis, das die Beschleunigungen von zwei frei fallenden Testmassen vergleicht und null ist, wenn diese Beschleunigungen gleich sind. In 2008, Erich Adelberger und Kollegen an der University of Washington in Seattle, USA, verwendeten eine rotierende Torsionswaage, um ein Eötvös-Verhältnis von Null auf dem Niveau von etwa 2 Teilen von 10 zu erhalten13. Während zehn Jahre später Forscher des Pariser Observatoriums in Frankreich auf fast 50 Jahre Laserentfernungsdaten zurückgriffen – auf der Suche nach winzigen Abweichungen in der Umlaufbahn des Mondes um die Erde – und das Äquivalenzprinzip mit einer Genauigkeit von etwa 7 × 10 bestätigten-14.
Die Idee hinter MICROSCOPE war es, die Präzision weiter zu verbessern, indem man sich die Vorzüge der Erdumlaufbahn zunutze macht – die Tatsache, dass Messungen über lange Zeiträume und ohne terrestrische Störungen wie seismisches Rauschen durchgeführt werden können. Die Mission umfasste die Überwachung der relativen Beschleunigung von zwei konzentrischen Hohlzylindern aus unterschiedlichen Legierungen – einer aus Titan und Aluminium und der andere aus Platin und Rhodium – während sie sich im kontinuierlichen freien Fall fortbewegten. Dazu wurden Elektroden verwendet, um Abweichungen in der Bewegung der Zylinder zu überwachen und dann eine winzige Spannung anzulegen, um die Zylinder gerade zu stellen – wobei Schwankungen dieser angelegten Spannung das Signal für Verletzungen des Äquivalenzprinzips lieferten.
Die 140 Millionen Euro teure MICROSCOPE-Mission wurde 2016 von der französischen Raumfahrtagentur CNES in Zusammenarbeit mit Forschern in Deutschland, den Niederlanden und dem Vereinigten Königreich gestartet. Mit einer Dauer von etwa 1.5 h in eine nahezu polare Umlaufbahn gebracht, lieferte der Satellit einen ersten Datensatz – veröffentlicht im Jahr 2017 – aus nur 120 Umläufen. Dies führte zu einer Verbesserung um etwa eine Größenordnung gegenüber der damaligen Rekordempfindlichkeit – wodurch die Unsicherheit im Nullwert des Eötvös-Verhältnisses auf etwa 2 Teile von 10 gesenkt wurde14.
Viel mehr Daten
Die MICROSCOPE-Kollaboration hat jetzt den vollständigen Datensatz der Mission veröffentlicht, der über das Äquivalent von fünf Monaten innerhalb ihrer 2.5-jährigen Missionsdauer gesammelt wurde (der Satellit, der sich noch im Orbit befindet, wird schließlich in der Erdatmosphäre verglühen). Mit mindestens einer Größenordnung mehr Daten als vor fünf Jahren, von denen einige aus einem Referenzvergleich zwischen zwei Zylindern aus demselben Material (Platin) stammten, konnten die Forscher die Unsicherheit über das Eötvös-Verhältnis auf etwa vier reduzieren Teile im 1015 – und feststellen, dass es immer noch Null ist. Das ist nicht so genau, wie sie gehofft hatten – sie wollten einen Teil von 10 erreichen15 – stellt aber dennoch eine weitere Verbesserung der Präzision um etwa den Faktor fünf dar.
Wissenschaftler, die nicht an der Mission beteiligt sind, begrüßen die neuen Ergebnisse jedoch Anna Nobili von der Universität Pisa in Italien ist skeptisch, ob die Genauigkeit so hoch ist wie angegeben. Sie weist darauf hin, dass die größte Quelle systematischer Fehler thermisches Rauschen ist, das aus Temperaturgradienten resultiert, die durch Schwankungen im direkten und reflektierten Sonnenlicht entstehen, das das Raumfahrzeug erreicht. Sie stellt fest, dass die einzige Möglichkeit, die Auswirkungen dieses Rauschens zwischen den beiden Datenveröffentlichungen zu reduzieren, da sich der Satellit bereits im Orbit befindet, darin bestand, die Modellierung zu verbessern. Aber sie findet es „nicht ganz überzeugend“, dass die Modellierung die nötige Reduktion – Faktor sechs – hätte erreichen können.
Nichtsdestotrotz geht Nobili davon aus, dass MICROSCOPE das „riesige Potenzial des Weltraums“ für sehr hochpräzise Tests des Äquivalenzprinzips zeigt. Insbesondere argumentiert sie, dass die Mission zeigt, wie wichtig es ist, ein Raumfahrzeug mit hohen Geschwindigkeiten zu drehen, um die Frequenz eines Verletzungssignals auf ein Niveau zu erhöhen, bei dem das thermische Rauschen bekanntermaßen niedriger ist. (Sie stellt fest, dass der Satellit sich mit bis zu fünf Mal seiner Orbitalfrequenz drehen sollte, sich aber am Ende 17.5 Mal schneller drehte.)
Weitere Rauschunterdrückung
Joel Bergé, Mitglied der MICROSCOPE-Kollaboration von der Université Paris Saclay, sagt, dass er und seine Kollegen jetzt an einer größeren Nachfolgemission namens MICROSCOPE 2 arbeiten, die sie noch keiner Weltraumagentur vorgeschlagen haben, die aber „in der zweiten Hälfte des Jahres“ starten könnte die 2030er“. Er sagt, dass der neue Satellit mehrere Änderungen beinhalten würde, um das Rauschen zu reduzieren, einschließlich des Austauschs eines Golddrahts, der verwendet wird, um unerwünschte Ladung von der Testmasse zu entfernen, durch ein drahtloses System mit ultravioletten Leuchtdioden. Solche Änderungen, so behauptet er, könnten die Messunsicherheit auf etwa ein Zehntel reduzieren17.
Der Abstieg der Masse
Clifford Will, Theoretiker an der University of Florida in den USA, glaubt, dass die Erfahrungen mit der ersten Mission den MICROSCOPE-Forschern „eine gute Grundlage für den Umstieg auf Version 2.0“ geben werden. Er sagt, dass er die Glaubwürdigkeit ihrer geplanten 10 nicht beurteilen kann-17 Ungewissheit, weist jedoch darauf hin, dass Wissenschaftler der Stanford University, die an einer vorgeschlagenen Mission namens STEP arbeiten, argumentierten, dass das Erreichen dieses Präzisionsniveaus eine Abkühlung des Satelliten auf kryogene Temperaturen erfordern würde – etwas, das für MICROSCOPE 2 nicht vorgesehen ist.
Die Forschung ist in Artikeln beschrieben, die in veröffentlicht wurden Physical Review Letters und einem Sonderausgabe of Klassische und Quantengravitation.
