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50 Jahre Lasermessungen zum Mond – zum Test der Einstein’schen Relativitätstheorie

50 Jahre Lasermessungen zum Mond – zum Test der Einstein’schen Relativitätstheorie

Vor 50 Jahren – im Juli 1969 – landete die Mondfähre Eagle während der Apollo 11 Mission auf dem Mond. An Bord befand sich auch ein Laserreflektor, den der Astronaut Buzz Aldrin auf der Mondoberfläche abstellte und zur Erde ausrichtete. Am 1. August 1969 gelang dem Team des Lick Observatory in Kalifornien damit die erste Laserentfernungsmessung zum Mond. Noch heute werden dieser und vier weitere Reflektoren von Beobachtungsstationen auf der Erde aus angemessen, etwa vom Geodätischen Observatorium in Wettzell im Bayerischen Wald. Mit den Daten kann man eine Vielzahl an Effekten im Erde-Mond-System untersuchen. Das Institut für Erdmessung (IfE) der Leibniz Universität Hannover betreibt eines von weltweit ganz wenigen Auswertezentren, die diese Daten analysieren, mit einem Schwerpunkt auf dem Test der Einstein’schen Relativitätstheorie.

Gerade einmal 2,7 Sekunden benötigen die Laserpulse für den Weg zum Mond und zurück zur Erde. Die einfache Strecke schwankt wegen der Bahnbewegung des Mondes  zwischen 356 000 km und 407 000 km. "Vorteilhaft ist, dass der Mond immer dieselbe Seite zur Erde hin zeigt, die Reflektoren prinzipiell also immer sichtbar sind", sagt Prof. Dr.-Ing . Jürgen Müller vom Institut für Erdmessung. "Und da der Mond keine Atmosphäre hat, werden sie auch nicht zugestaubt."  So sind bis heute rund 27 000 Lasermessungen zum Mond  – kurz LLR – für die Wissenschaft verfügbar.  Damit konnte beispielsweise errechnet werden, dass sich der Mond kontinuierlich von der Erde entfernt – rund 3,8 Zentimeter pro Jahr. Dadurch verlängert sich die Tageslänge auf der Erde um zwei Millisekunden pro Jahrhundert.

Die Wissenschaftler um Jürgen Müller testen mit den Daten wichtige Voraussagen der Einstein’schen  Relativitätstheorie. "LLR eignet sich besonders gut, da man eine sehr lange Zeitspanne und eine große Entfernung hat, so dass sich relativistische Effekte entsprechend auswirken", erklärt Jürgen Müller. Gegenstand der Forschung ist etwa das Äquivalenzprinzip, also ob unterschiedliche Massen (hier Erde und Mond) von einem dritten Körper (der Sonne) gleichermaßen gravitativ angezogen werden. Oder, ob die Gravitationskonstante zeitlich konstant ist, was die Wissenschaftler bestätigen konnten. "Bislang hat die Relativitätstheorie alle Tests mit Bravour bestanden", sagt Müller. Alle ihre Voraussagen wurden mit einer relativen Genauigkeit von etwa 0,1 Promille bestätigt.

Das LLR-Analysepaket des Institut für Erdmessung hat seinen Ursprung in der 1980er Jahren an der Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie der TU München und wird seit etwa 18 Jahren in Hannover weiterentwickelt. Die Geodäten konnten das Analysemodell auf Zentimetergenauigkeit verbessern. Dabei sind Hunderte von Effekten, die die Reflektor-Stations-Entfernung beeinflussen,  zu berücksichtigen, auch so  kleine Effekte wie die Wirkung der Venus auf die Mondrotation oder die durch die Atmosphärenbewegung verursachte Deformation der Erdoberfläche.

Momentan werden neue Mondmissionen von verschiedenen Raumfahrtagenturen ins Auge gefasst. Und so hoffen die Wissenschaftler am Institut für Erdmessung, dass nach 50 Jahren weitere Reflektoren auf den Mond kommen und die faszinierenden wissenschaftlichen Möglichkeiten weiteren Auftrieb erfahren.

Weitere Informationen:

  • Zum Weiterlesen:

    Hofmann, F, Biskupek, L., Müller, J.: Contributions to Reference Systems from Lunar Laser Ranging using the IfE analysis model. Journal of Geodesy (Special issue on reference frames), 92(9), 975-987, 2018, DOI: 10.1007/s00190-018-1109-3

    Hofmann, F., Müller, J.: Relativistic Tests with Lunar Laser Ranging. Classical and Quantum Gravity, 35(035015), 2018, DOI: 10.1088/1361-6382/aa8f7a

    Müller, J., Hofmann, F., Biskupek, L.: Warum man den Abstand zum Mond misst. BWG-Jahrbuch  2018, J. Cramer Verlag, Braunschweig, S. 17-28,  2019