Wissen : Falsch abgebogen

Satelliten weichen vom Kurs ab, die Bahnen der Planeten werden immer größer. Brauchen wir eine neue Physik?

Rainer Kayser

Die großen Rätsel des Kosmos scheinen immer in weiter Ferne zu liegen: Schwarze Löcher, Quasare, Dunkle Materie. Doch auch in unserem Sonnensystem gibt es mehrere Phänomene, die die Forscher derzeit ratlos staunen lassen: Raumsonden weichen durch unbekannte Kräfte von ihrem Kurs ab und die Bahnen der Planeten scheinen sich zu vergrößern. Die Effekte sind zwar klein, aber für die Forscher von größter Bedeutung. Denn hinter ihnen könnte sich eine neue Physik verbergen, die über das gegenwärtige Theoriengebäude aus Relativitätstheorie und Quantenmechanik hinaus weist.

Das bekannteste dieser rätselhaften Phänomene im Sonnensystem ist die Pionier-Anomalie. Die in den Jahren 1972 und 1973 gestarteten amerikanischen Raumsonden Pionier 10 und 11 waren die Ersten, die den Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter durchquert und die äußeren Planeten erreicht haben. Der Funkkontakt zu Pionier 11 riss 1995, der zu Pionier 10 im Jahr 2003 ab.

Doch bis heute bereiten die Bahnen der Sonden Kopfzerbrechen. Die übermittelten Daten deuten nämlich darauf hin, dass die Raumfahrzeuge ein kleines bisschen stärker von der Sonne angezogen worden sind als vorausberechnet. Der Effekt ist winzig – über einen Tag bewirkt er lediglich eine Geschwindigkeitsänderung von etwa 27 Zentimetern pro Stunde. Doch über die Jahre hinweg sind Pionier 10 und 11 dadurch inzwischen um rund eine Million Kilometer von ihrem vorausberechneten Kurs abgewichen.

Stimmt also etwas mit dem Gravitationsgesetz und damit möglicherweise auch mit der Relativitätstheorie nicht? Oder handelt es sich um einen eher trivialen Effekt, etwa Fehler bei der Datenübertragung, Wärmeabstrahlung der Sonde, Reibung am dünnen Gas im äußeren Sonnensystem? Viele Untersuchungen sprechen gegen diese Möglichkeiten, aber trotz aller Sorgfalt sind sich die Forscher noch nicht ganz sicher. Klarheit soll die internationale „Pioneer Explorer Collaboration“ bringen, an der auch Wissenschaftler vom Raumfahrtforschungszentrum ZARM in Bremen beteiligt sind. Die Forscher analysieren alle von den Pionier-Sonden zur Erde gefunkten Daten komplett neu.

Die Aufgabe ist komplex, schließlich lieferten 120 Sensoren ständig Informationen über den inneren Zustand der Sonden. Auch die Analyse der Bahndaten dürfte sich als schwierig erweisen, da immer wieder Computer, Software und Empfangantennen gewechselt wurden. Jede Datei muss deshalb individuell geprüft, analysiert und in ein gemeinsames Format übertragen werden. Im Juni hoffen die Forscher, alle Daten für die Analyse bereit zu haben. Dann kann die Suche nach der Ursache beginnen.

Weniger bekannt, aber noch rätselhafter als das Pionier-Phänomen ist die Flyby-Anomalie. „Flybys“, enge Vorbeiflüge an Planeten, werden in der Raumfahrt standardmäßig eingesetzt, um Raumsonden auf einen neuen Kurs zu bringen und ihnen zusätzlichen Schwung für die Reise zu den äußeren Planeten zu geben. Als die Jupitersonde Galileo am 8. Dezember 1990 in 960 Kilometern Höhe über die Erde hinwegzog, erlebten die beteiligten Forscher jedoch eine Überraschung: Das Raumfahrzeug zeigte nach dem Flyby eine um rund 14 Meter pro Stunde größere Geschwindigkeit als erwartet. Die Differenz war zwar klein, aber immerhin etwa 50 Mal größer als der Messfehler.

Inzwischen konnte die Flyby-Anomalie auch bei anderen Raumsonden beobachtet werden: Im Januar 1998 bei der Asteroidensonde Near und im März 2005 bei der Kometensonde Rosetta. Mit Spannung erwarten die Forscher nun den nächsten Vorbeiflug von Rosetta an der Erde im November dieses Jahres.

Am 25. Februar ist Rosetta zudem in 250 Kilometern Höhe über den Mars hinweggeflogen. Die Auswertung der Daten ist aufgrund der großen Entfernung von der Erde schwierig und dauert noch an. Ein Nachweis der Anomalie in diesem Fall würde eindeutig zeigen, dass es nicht Eigenschaften der Erde sind, die den Effekt verursachen.

Aber nicht nur Raumsonden verhalten sich im Sonnensystem merkwürdig, sondern auch die Planeten. Die Vermessung des Sonnensystems hat durch die Raumfahrt eine erstaunliche Genauigkeit erreicht. Die Messungen der Laufzeiten von Radiosignalen der Marssonden von Viking bis zum Mars Global Surveyor und Mars Odyssey erlauben es zum Beispiel, den Abstand zwischen der Erde und dem roten Planeten auf wenige Meter genau zu bestimmen.

Vor drei Jahren machten sich George Krasinsky und Victor Brumberg vom Astronomischen Institut in St. Petersburg an die genaue Analyse dieser Daten. Das verblüffende Ergebnis: Das Sonnensystem scheint größer zu werden. Die Himmelsforscher verwenden als Maßstab die „Astronomische Einheit“, wobei es sich – etwas vereinfacht ausgedrückt – um den mittleren Abstand der Erde von der Sonne handelt. Und genau dieser kosmische Maßstab scheint sich um zehn Meter pro Jahrhundert zu vergrößern.

Ein nahe liegender Schluss wäre, dass sich darin die Expansion des Weltalls widerspiegelt. Doch das ist falsch, wie die beiden russischen Forscher zeigen konnten: Die Ausdehnung des Kosmos vergrößert zwar die Abstände zwischen den Galaxien, hat aber keinerlei Einfluss auf Systeme, die von der Schwerkraft zusammengehalten werden.

Vielleicht liegt es an der Massenabnahme der Sonne? Immerhin verliert die Sonne allein durch die Kernfusion pro Sekunde etwa fünf Millionen Tonnen Materie. Doch so gewaltig diese Zahl auch klingt – verglichen mit der Gesamtmasse der Sonne ist das verschwindend wenig. Der Massenverlust der Sonne könnte insgesamt lediglich zu einer Vergrößerung der astronomischen Einheit um dreißig Zentimeter pro Jahrhundert führen.

So sind die Astronomen auch bei diesem Phänomen noch ratlos. Im Prinzip könnten Änderungen der Gravitationskonstanten oder der Lichtgeschwindigkeit das Phänomen erklären. Doch dies würde zu Abweichungen führen, die sich längst auch bei anderen Experimenten bemerkbar gemacht haben müssten.

Also doch alles nur Messfehler? Handelte es sich nur um einen einzigen Effekt, so wäre dies wohl die vernünftigste Erklärung. Aber bei drei Effekten, die voneinander unabhängig bei verschiedenen Situationen auftreten, beschleicht doch so manchen Wissenschaftler das Gefühl, dass wir die Physik des Sonnensystems nicht vollständig verstehen. Und die Hoffnung wächst, dass diese Phänomene vielleicht die Tür aufstoßen für die lang erwartete Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenphysik.

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