The OPTIS satellite - improved tests of Special and General Relativity

Die OPTIS Satellitenmission ist eine internationale Zusammenarbeit, die von drei deutschen Universitätsinstituten initiiert wurde. Das Hauptziel des Projektes ist die Durchführung verbesserter Tests der Grundlagen der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie im Weltraum. Die Missionsidee - welche bereits das Stadium der ersten Machbarkeitsstudie passiert hat - ist es, einen Beitrag zum anspruchvollsten Projekt der Physik unseres Jahrhunderts zu leisten - der Suche nach einer Quantengravitationstheorie. Diese Theorie sollte die Unstimmigkeiten zwischen der Quantentheorie und der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie lösen. Alle Ansätze für solch einen Quantengravitationstheorie sagen kleine Abweichungen von der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie voraus. Wenn solche Abweichungen gefunden werden könnten (z.B. eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit, Verletzungen der Universalität der gravitativen Rotverschiebung oder der Universalität des Freien Falls), wäre der Weg für ein neues Verständnis der Raum-Zeit-Struktur unseres Universums geöffnet. Daher ist das Ziel der OPTIS Satellitenmission eine Genauigkeitsverbesserung der Tests zu den Grundlagen der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie um bis zu drei Größenordnungen. Um dieses Ziel zu erreichen werden verschiedene Experimente an Bord des OPTIS Satelliten durchgeführt werden. Dies sind Tests zur (i) Isotropie der Lichtgeschwindigkeit, (ii) Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit des Laborsystems, (iii) Universalität der gravitativen Rotverschiebung, (iv) absoluten gravitativen Rotverschiebung und (v) zur speziellen relativistischen Zeitdilatation. Weiterhin werden Orbitanalysen durchgeführt um (vi) den Lense-Thirring Effekt, (vii) die Perigäumsänderung sowie (viii) das Newtonsche 1r Gravitationspotential zu vermessen. Die Vorteile, diese Experimente im Weltraum durchzuführen, sind die fast vollkommen störungsfreie Umgebung, die hochgenaue Messungen erlaubt und die großen möglichen Messzeiten. Die OPTIS Mission wird schon vorhandene Schlüsseltechnologien wie optische Kavitäten, hochstabilisierte Laser, Atomuhren, Frequenzkämme, kapazitive Gravitationsreferenzsensoren, Drag-free Regelung, Laser-Abstandsmessung und Laserlink-Systems verwenden. Bei den meisten der vorgeschlagenen Tests beruhen die Messungen auf Uhrenvergleichen. Für den Test der Isotropie der Lichtgeschwindigkeit (Michelson-Morley Experiment) werden die Frequenzen von zwei orthogonal zueinander angeordneten optischen Resonatoren ('Lichtuhren') verglichen. Beim Experiment zur Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (Kennedy-Thorndike Experiment) werden die Frequenzen eines optischen Resonators und einer Atomuhr unter verschiedenen Geschwindigkeiten verglichen. Für die Tests zur Zeitdilatation werden die Frequenzen von Uhren in verschiedenen Bewegungszuständen verglichen und für den Test zur Universalität der gravitativen Rotverschiebung werden Uhren an verschiedenen Positionen im Gravitationsfeld verglichen. Dieser Artikel gibt eine Übersicht über die OPTIS Satellitenmission, inklusive ihrer wissenschaftlichen Zielsetzungen, die Wissenschaftsanforderungen, Schlüsseltechnologien sowie Messprinzipien und Messaparaturen.