Frame-Dragging

Frame-Dragging, auch Lense-Thirring-Effekt genannt, ist eine Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie: Eine rotierende Masse zerrt an der umgebenden Raumzeit und reißt sie ein Stück weit in ihre eigene Drehrichtung mit. Der Raum selbst wird gewissermaßen verwirbelt. Vorhergesagt wurde der Effekt bereits 1918 von den österreichischen Physikern Josef Lense und Hans Thirring.

Anschaulich kann man sich einen rotierenden Planeten wie einen Löffel vorstellen, der sich in zähem Honig dreht: Die unmittelbare Umgebung wird leicht mitgeschleppt. Für die Erde ist dieser Effekt winzig, aber tatsächlich messbar. Die NASA-Mission Gravity Probe B bestätigte ihn 2011 mit vier der präzisesten je gebauten Kreisel im Orbit, und auch die Bahnvermessung der LAGEOS-Satelliten lieferte unabhängige Belege.

Wahrhaft dramatisch wird Frame-Dragging bei schnell rotierenden Neutronensternen und Schwarzen Löchern. Rund um ein rotierendes Kerr-Schwarzes-Loch liegt die sogenannte Ergosphäre, in der die Raumzeit so heftig mitgerissen wird, dass dort kein Objekt mehr stillstehen kann, sondern sich zwangsläufig mitdrehen muss. Über den Penrose-Prozess ließe sich dieser Drehimpuls sogar anzapfen, um dem Schwarzen Loch Energie zu entziehen, und vermutlich speist genau dieser Effekt die gewaltigen Materiestrahlen aktiver Galaxienkerne.

In der Hard-SF nutzen Autoren wie Stephen Baxter Frame-Dragging als physikalisch korrektes Detail für Szenen nahe kompakter Objekte, sei es als Energiequelle, als Navigationsfalle oder als eindrucksvolles Bild dafür, dass die Raumzeit kein starrer Hintergrund ist, sondern ein verformbares, mitrotierendes Gewebe.

Gravity Probe B war eines der aufwendigsten Experimente in der Geschichte der Raumfahrtphysik. Die vier Kreiseltöpfe, Kugeln aus geschmolzenem Quarz mit 38 Millimetern Durchmesser, galten als die perfektesten runden Objekte, die Menschen je hergestellt hatten. Die erwartete Abweichung durch Frame-Dragging betrug nur 39 Millibogensekunden pro Jahr, das entspricht einem hauchdünnen Winkel. Das Experiment dauerte von 2004 bis 2011 mit Datenauswertung und bestätigte Einsteins Vorhersage auf 19 Prozent Genauigkeit, was aufgrund unvorhergesehener elektrostatischer Störeffekte weniger präzise war als erhofft, aber ausreichte.

Frame-Dragging hat auch kosmologische Konsequenzen. In der Nähe schnell rotierender Pulsar kann die mitgerissene Raumzeit die Präzession der Umlaufbahn eines Begleitsterns beeinflussen. Diese geodätische Präzession und der Lense-Thirring-Effekt zusammen wurden in Doppelsternsystemen mit Pulsaren gemessen und stimmen mit der allgemeinen Relativitätstheorie überein. Das macht Pulsare zu präzisen Laboratorien für Gravitationsphysik, die kein Experiment auf der Erde replizieren kann.