Galileo-Satelliten liefern präziseste Messung der Einsteinschen Gravitationszeitdilatation

Das europäische Satellitennavigationssystem Galileo hat der Grundlagenphysik einen bedeutenden Beitrag geleistet, indem es die bisher genaueste Messung der durch Gravitationsfelder verursachten Zeitverschiebung ermöglichte. Dieses Phänomen, bekannt als gravitative Rotverschiebung oder Gravitationszeitdilatation, ist eine zentrale Vorhersage von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie aus dem Jahr 1915. Die Analyse, deren bahnbrechende Ergebnisse erstmals Ende 2018 veröffentlicht wurden, stützte sich auf die Daten der Galileo-Satelliten 5 und des baugleichen Modells FM06.

Die außergewöhnliche Präzision dieser Messung resultierte aus der Analyse der hochstabilen Atomuhren an Bord spezifischer Galileo-Satelliten, die sich aufgrund einer früheren Startanomalie in exzentrischen Umlaufbahnen befanden. Die betroffenen Einheiten, darunter die Satelliten 5 und 6, wurden im August 2014 versehentlich in einer elliptischen Bahn zwischen 25.900 km und 13.713 km Höhe ausgesetzt, anstatt in der geplanten Höhe von rund 23.000 km. Diese unerwartete Bahnkonstellation erlaubte es Forschern, die Vorhersage der Zeitdilatation mit einer um das Fünffache verbesserten Genauigkeit im Vergleich zum bisherigen Goldstandard, dem Gravity Probe-A Experiment von 1976, zu überprüfen. Für diese hochpräzise Verifizierung der Gravitationsrotverschiebung waren die an Bord verbauten Passiven Wasserstoff-Maser (PHM) Uhren unerlässlich, die eine extrem hohe Stabilität aufweisen.

Die Analyse erforderte die genaue Modellierung der fehlerhaften Umlaufbahnen sowie die korrekte Berücksichtigung systematischer Effekte, die auf die Satelliten im Weltraum einwirken. Javier Ventura-Traveset, Leiter des Galileo Navigation Science Office der ESA, bestätigte, dass die theoretisch erwarteten Ergebnisse nun praktisch verifiziert wurden, was die erste dokumentierte Verbesserung des Gravitations-Rotverschiebungstests seit über 40 Jahren darstellt. Während die MICROSCOPE-Mission das Äquivalenzprinzip durch den Vergleich der Fallraten unterschiedlicher Testmassen (Titan und Platin) auf eine Präzision von zwei Billionstel Prozent bestätigte, lieferte die Galileo-Analyse eine eigenständige, direkte Verifizierung der Gravitationsrotverschiebung auf Atomuhrenfrequenzebene.

Die anfängliche Fehlfunktion der Satelliten, die sie für die Navigation ungeeignet machte, prädestinierte sie somit für die Grundlagenforschung. Das Galileo-System wird von der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der Europäischen Kommission finanziert; der Betrieb obliegt der Agentur der Europäischen Union für das Weltraumprogramm (EUSPA) mit Sitz in Prag. Die fortlaufende Weiterentwicklung, insbesondere die Einführung der Galileo Second Generation (G2G) ab voraussichtlich 2027, sichert diese wissenschaftliche Kapazität für die Zukunft. Mit einem aktuellen Bestand von 34 gestarteten Einheiten und 26 operationalen Satelliten zum Stand 1. Februar 2026 wird die G2G-Flotte die bestehende Konstellation ergänzen und Galileo als Eckpfeiler der europäischen Autonomie sowie als unverzichtbares Instrument für die Überprüfung fundamentaler physikalischer Theorien weiter etablieren.