Was haben Wasserspeicher auf der Erde mit Einsteins Relativitätstheorie zu tun? Mehr, als man zunächst vermuten würde. Die Satellitenmissionen GRACE und GRACE Follow-On beobachten winzige Veränderungen des Erdschwerefelds und machen dadurch sichtbar, wo sich große Mengen Wasser und andere Massen auf unserem Planeten verlagern. Genau dieses Wissen über das Schwerefeld hilft nun auch bei einem ganz anderen Experiment: einem besonders präzisen Test der allgemeinen Relativitätstheorie im Erdorbit.
Ein internationales Forschungsteam hat mit den Satelliten LARES-2 und LAGEOS gemessen, wie die rotierende Erde die Raumzeit in ihrer Umgebung geringfügig mitzieht. Dieser sogenannte Frame-Dragging-Effekt ist so klein, dass er nur mit äußerst präzisen Satellitenbeobachtungen nachgewiesen werden kann. Die in Nature veröffentlichte Messung erreicht eine relative Unsicherheit von etwa 0,2 Prozent – rund zehnmal besser als frühere Tests im Sonnensystem.
Dr.-Ing. Patrick Schreiner, GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
GRACE misst nicht Wasser – sondern Masse
Wenn sich große Wassermengen verlagern, verändert sich die Anziehungskraft der Erde ein winziges bisschen. Genau solche Veränderungen können GRACE und GRACE Follow-On erfassen. Jeweils zwei Satelliten fliegen hintereinander um die Erde und messen äußerst genau, wie sich ihr Abstand verändert. Daraus lässt sich ableiten, wo auf der Erde Masse zu- oder abnimmt. Über den Kontinenten steckt dahinter häufig Wasser: Grundwasser, Bodenfeuchte, Schnee, Eis oder Wasser in Seen und Flüssen. So können die Missionen zum Beispiel zeigen, ob Grundwasservorräte schrumpfen, Eisschilde Masse verlieren oder sich Wasserspeicher nach einer Dürre wieder füllen. GRACE „sieht“ Wasser also nicht wie eine Kamera. Die Satelliten messen seine Wirkung auf das Erdschwerefeld. Genau diese hohe Empfindlichkeit gegenüber kleinsten Massenverlagerungen macht die Missionen auch für Anwendungen wertvoll, die auf den ersten Blick gar nichts mit Wasser zu tun haben.
Wenn die Erde die Raumzeit mitzieht
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass eine rotierende Masse die Raumzeit in ihrer Umgebung geringfügig mitzieht. Dieser Effekt heißt Frame-Dragging oder Lense-Thirring-Effekt.
Im Umfeld der Erde ist dieser Effekt extrem klein. Bei einem Satelliten verändert er die Orientierung der Bahnebene nur sehr langsam. Für LARES-2 und LAGEOS beträgt diese relativistische Veränderung jeweils rund 30,7 Millibogensekunden pro Jahr. Das klingt abstrakt – anschaulicher ist die Umrechnung: Auf der Umlaufbahn der Satelliten entspricht diese Winkeländerung einer Strecke von nur etwa 1,8 Metern pro Jahr.
Um einen so winzigen Effekt zu messen, muss man sehr genau wissen, wie sich die Satelliten bewegen – und welche anderen Kräfte ihre Bahnen beeinflussen.
Wie LARES-2 und LAGEOS den Effekt sichtbar machen
LARES-2 und LAGEOS sind geodätische Satelliten. Auf ihrer Oberfläche sitzen Retroreflektoren, die von Bodenstationen ausgesendete Laserpulse zurückwerfen. Aus der Laufzeit des Lichts lässt sich der Abstand zu den Satelliten mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen.
LARES-2 wurde speziell für solche Präzisionsmessungen gebaut. Der Satellit ist klein, aber mit knapp 295 Kilogramm ungewöhnlich schwer. Dadurch wird seine Bahn nur vergleichsweise wenig durch Einflüsse wie den Strahlungsdruck der Sonne gestört.
Hinzu kommt eine besondere Geometrie: Die Bahnneigungen von LARES-2 und LAGEOS ergänzen sich nahezu zu 180 Grad. Dadurch heben sich viele größere Bahnstörungen, die durch das nicht perfekt kugelförmige Schwerefeld der Erde entstehen, in der gemeinsamen Auswertung weitgehend auf. Das sehr viel kleinere relativistische Signal lässt sich so besser herausarbeiten.
Was GRACE mit dem Einstein-Test zu tun hat
Auch mit dieser besonderen Satellitenkonfiguration bleibt eine große Herausforderung: Das Erdschwerefeld beeinflusst die Bahnen von LARES-2 und LAGEOS um ein Vielfaches stärker als der gesuchte Frame-Dragging-Effekt. Deshalb muss dieses Schwerefeld sehr genau bekannt sein.
Hier kommen GRACE und GRACE Follow-On ins Spiel. Ihre Messungen liefern präzise Informationen darüber, wie das Erdschwerefeld aufgebaut ist und wie es sich mit der Zeit verändert. Diese Informationen fließen in die Berechnung der Satellitenbahnen ein und helfen dabei, die wesentlich größeren klassischen Effekte vom winzigen relativistischen Signal zu trennen.
GRACE misst Frame-Dragging also nicht selbst. Die Missionen liefern vielmehr einen wichtigen Teil des Wissens, das nötig ist, um den Effekt mit LARES-2 und LAGEOS zuverlässig zu bestimmen. Genau darin liegt die überraschende Verbindung: Dasselbe Erdschwerefeld, mit dessen Hilfe Veränderungen von Wasserspeichern sichtbar werden, hilft auch dabei, eine Vorhersage von Einsteins Relativitätstheorie zu testen.
Ein Ergebnis mit 0,2 Prozent Unsicherheit
Für die Studie wertete das Forschungsteam rund 200.000 Laserentfernungsmessungen von LARES-2 und LAGEOS über 1.050 Tage aus – von Juli 2022 bis Juni 2025. Das Ergebnis stimmt sehr genau mit der Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie überein. Die relative Unsicherheit beträgt nur etwa 0,2 Prozent. Damit ist die Messung ungefähr zehnmal genauer als frühere Tests im Sonnensystem.
Eine der größten Herausforderungen waren dabei die Gezeiten. Mond und Sonne bewegen nicht nur das Wasser der Ozeane, sondern verformen auch die feste Erde ein wenig. Dadurch verändert sich wiederum das Schwerefeld – und damit die Bahn der Satelliten.
Besonders wichtig ist die sogenannte K1-Tide, eine bestimmte Gezeitenschwingung, die sich ungefähr einmal täglich wiederholt. Auf die Bahnebenen der Satelliten wirkt sie sich allerdings über einen viel längeren Zeitraum von rund 1.050 Tagen aus. Dadurch kann sie den langsam anwachsenden Frame-Dragging-Effekt überlagern. Weil der zeitliche Verlauf dieses Gezeitensignals sehr gut bekannt ist, konnte sein Einfluss in der Analyse herausgerechnet werden. Gleichzeitig lieferte die Untersuchung neue Informationen darüber, wie gut diese Tide bislang modelliert ist.
Von der Beobachtung des Erdsystems zur fundamentalen Physik
Die Studie zeigt, wie eng unterschiedliche Bereiche der Satellitengeodäsie miteinander verbunden sind. Hochpräzise Kenntnisse des Erdschwerefelds helfen uns zu verstehen, wie sich Grundwasser, Eis und andere Wasserspeicher verändern. Dieselben Informationen sind zugleich unverzichtbar, wenn Satellitenbahnen mit höchster Genauigkeit berechnet werden sollen.
Auch am GFZ reicht diese Verbindung von der Beobachtung bis zur Auswertung. Die Satellite-Laser-Ranging-Station in Potsdam trägt mit hochpräzisen Beobachtungen von LAGEOS und LARES-2 zum weltweiten Datensatz bei. Bei Teilen der Bahnanalyse der Nature-Studie kam außerdem das am GFZ entwickelte Orbitprogramm EPOS-OC zum Einsatz.
So reicht der Blick der Satellitengeodäsie heute vom Wasserkreislauf bis zur Raumzeit: Messungen, die Veränderungen von Masse und Wasser auf unserem Planeten sichtbar machen, tragen zugleich dazu bei, grundlegende Eigenschaften der Gravitation zu überprüfen.
Originalstudie
Ciufolini I, Paolozzi A, Pavlis EC, Ries JC, Paris C, Ortore E, Matzner R, Kuzmicz-Cieslak M, Deka D, Pavlis DE, Schreiner P, Ni WT, Penrose R, Gurzadyan V (2026) LARES-2 satellite measures frame-dragging effect around the Earth. Nature 655, 332–335 (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10715-0