Post-Newtonische und Post-post-Newtonische Effekte in der Theorie der Lichtausbreitung für Hochpräzisions-Astrometrie

• Antragsteller: Dr. Sven Zschocke
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263799048

Die ESA Astrometrie-Missionen Hipparcos (1989-1993) und Gaia (2013-2022) haben eine neue Ära in der Astrometrie eröffnet, welche sich auf die Weitfeld-Astrometrie gründet und durch globale astrometrische Instrumente realisiert wird, welche es erlauben große Winkelabstände am Himmel zu messen. Insbesondere liefert der abschließende Hipparcos Katalog die Positionen, Eigenbewegungen, und Parallaxen von Sternen bis hin zu Genauigkeiten von 1 Milli Bogensekunde bei Winkelmessungen, während die Mission Gaia auf Genauigkeiten bis hin zu 5 Mikro-Bogensekunden bei Positionen, Eigenbewegungen, und Parallaxen von Himmelsobjekten abzielt. Der eindrucksvolle Fortschritt welcher bei der Realisierung dieser beiden ESA Missionen gemacht wurde, hat die Astrometrie dazu ermutigt weiter auf diesem Weg in der nächsten Zukunft voranzuschreiten. Neben verschiedenen Astrometrie-Missionen welche der ESA vorgeschlagen werden seien die kürzlichen M-5 Missionen Theia, NEAT und Gaia-NIR erwähnt, welche auf eine Genauigkeit im Sub-Mikro-Bogensekunden-Bereich und sogar im Nano-Bogensekunden-Bereich abzielen. Solche noch nie dagewesenen Genauigkeiten erfordern entsprechende Fortschritte in der Theorie der Lichtausbreitung im Sonnensystem. Insbesondere ist es auf solch einem Niveau der Präzision notwendig, die Ausbreitung eines Lichtsignals im Gravitationsfeld von N beliebig bewegten Körpern des Sonnensystems zu beschreiben, welche beliebige Form, innere Struktur, oszillierende und rotierende Bewegungen haben können. Solch eine allgemeine Lösung für die Lichttrajektorien wurde in post-Newtonischer Näherung (1PN und 1.5PN) während des vorangegangenen Zeitraums des Projektes bestimmt. Auch wurde das Problem der Lichtausbreitung im Feld eines beliebig bewegten punktförmigen Körpers in 2PN Näherung gelöst. Jedoch gibt es weitere Aspekte in der Theorie der Lichtausbreitung, welche von entscheidender Bedeutung sind um eine Genauigkeit im Sub-Mikro-Bogensekunden-Bereich zu erzielen, als da wären:(1) Behandlung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation (Retardierung), (2) Entwicklung eines hoch-effizienten Algorithmus für die reale astrometrische Daten-Auswertung, (3) die Berücksichtigung weiterer 2PN Effekte für ausgedehnte Körper, (4) die Transformation der Lichttrajektorie in das Referenz-System des raum-gestützten Beobachters. Diese Untersuchungen entsprechen den kürzlichen Aussagen der Senior-Survey-Kommission (SSC) der ESA, welche in Antwort auf die Auswahl von wissenschaftlichen Themen für raum-basierte Astrometrie-Missionen die geeignete Modellierung der Licht-Ausbreitung im Sonnensystem im allgemein-relativistischen Rahmen als von fundamentaler Bedeutung für die zukünftige Hochpräzisions-Astrometrie betont haben. Das geplante DFG-Projekt ist diesen fundamentalen Problemen gewidmet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen