stringtranslate.com

Гравитационный зонд B

Gravity Probe B ( GP-B ) был экспериментом на основе спутника для проверки двух непроверенных предсказаний общей теории относительности: геодезического эффекта и перетаскивания рамки . Это должно было быть достигнуто путем очень точного измерения крошечных изменений в направлении вращения четырех гироскопов, содержащихся в спутнике на орбите Земли на высоте 650 км (400 миль), пересекающем непосредственно полюса.

Спутник был запущен 20 апреля 2004 года на ракете Delta II . [4] Фаза космического полета продолжалась до; [5] Его целью было измерение кривизны пространства-времени вблизи Земли и, таким образом, тензора энергии-импульса (который связан с распределением и движением материи в пространстве) в Земле и вблизи нее. Это обеспечило проверку общей теории относительности , гравитомагнетизма и связанных с ними моделей. Главным исследователем был Фрэнсис Эверитт .

Первоначальные результаты подтвердили ожидаемый геодезический эффект с точностью около 1%. Ожидаемый эффект перетаскивания рамки был аналогичен по величине текущему уровню шума (в шуме преобладали изначально немоделированные эффекты из-за неравномерных покрытий на гироскопах). Работа по моделированию и учету этих источников ошибок была продолжена, что позволило извлечь сигнал перетаскивания рамки., эффект перетаскивания кадра был подтвержден с точностью до 15% от ожидаемого результата, [6] и В отчете НАСА указано, что подтвержденный геодезический эффект составляет более 0,5%. [7]

В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters в, авторы сообщили, что анализ данных со всех четырех гироскопов приводит к геодезической скорости дрейфа−6 601 .8 ± 18.3  мсд / год и скорость дрейфа рамы−37,2 ± 7,2 мсд/год , что хорошо согласуется с предсказаниями общей теории относительности−6 606,1 ± 0,28 % мс/год и−39,2 ± 0,19% мсд/год , соответственно. [8]

Обзор

Gravity Probe B был экспериментом с релятивистским гироскопом , финансируемым NASA. Усилия были возглавлены физическим факультетом Стэнфордского университета с Lockheed Martin в качестве основного субподрядчика. Ученые миссии рассматривали его как второй эксперимент по относительности в космосе после успешного запуска Gravity Probe A (GP-A) в.

Планы миссии состояли в том, чтобы проверить два непроверенных предсказания общей теории относительности: геодезический эффект и увлечение кадра . Это должно было быть достигнуто путем очень точного измерения крошечных изменений в направлении вращения четырех гироскопов, содержащихся в спутнике Земли, вращающемся на высоте 650 км (400 миль), пересекающем непосредственно полюса. Гироскопы должны были быть настолько свободны от возмущений, что они могли бы обеспечить почти идеальную систему отсчета пространства-времени . Это позволило бы им выявить, как пространство и время «искажаются» присутствием Земли, и насколько вращение Земли «увлекает» за собой пространство-время.

Геодезический эффект — это эффект, вызванный тем, что пространство-время «искривляется» массой Земли. Ось гироскопа, когда ее параллельно перемещают вокруг Земли за один полный оборот, не оказывается направленной точно в том же направлении, что и раньше. Угол «отсутствия» можно рассматривать как величину, на которую гироскоп «наклоняется» в сторону наклона кривизны пространства-времени. Более точное объяснение части кривизны пространства геодезической прецессии получается с помощью почти плоского конуса для моделирования пространственной кривизны гравитационного поля Земли. Такой конус получается путем вырезания тонкого «куска пирога» из круга и склеивания вырезанных краев. Пространственная геодезическая прецессия является мерой угла отсутствующего «куска пирога». Ожидалось, что Gravity Probe B измерит этот эффект с точностью до одной части в10 000 — самая строгая проверка предсказаний общей теории относительности на сегодняшний день.

Гораздо меньший эффект перетаскивания рамки является примером гравитомагнетизма . Это аналог магнетизма в классической электродинамике , но вызванный вращающимися массами, а не вращающимися электрическими зарядами. Ранее были опубликованы только два анализа данных лазерной локации , полученных двумя спутниками LAGEOS ,и, заявили, что обнаружили эффект перетаскивания кадра с точностью около 20% и 10% соответственно, [9] [10] [11] тогда как Gravity Probe B стремился измерить эффект перетаскивания кадра с точностью до 1%. [12] Недавний анализ данных Mars Global Surveyor заявил, что подтвердил эффект перетаскивания кадра с точностью до 0,5%, хотя точность этого утверждения оспаривается. [13]

Запуск был запланирован нана базе ВВС Ванденберг , но был отменен в течение 5 минут после запланированного окна запуска из-за изменения ветров в верхних слоях атмосферы. Необычной особенностью миссии является то, что у нее было только односекундное окно запуска из-за точной орбиты, требуемой экспериментом. На ТИХООКЕАНСКОЕ ЛЕТНЕЕ ВРЕМЯ ( UTC ) космический аппарат был успешно запущен. Спутник был выведен на орбиту вЯВЛЯЮСЬ (UTC) после крейсерского периода над южным полюсом и короткого второго включения. Миссия длилась 16 месяцев.

Некоторые предварительные результаты были представлены на специальной сессии во время заседания Американского физического общества в. Первоначально НАСА запросило предложение о продлении фазы анализа данных GP-B посредством. Фаза анализа данных была расширена доиспользуя финансирование от Ричарда Фэрбэнка , Стэнфорда и НАСА, а после этого используя только финансирование не НАСА. [6] Окончательные научные результаты были представлены в.

Экспериментальная установка

В то время гироскопы из плавленого кварца , созданные для Gravity Probe B, были наиболее близкими к совершенным сферам, когда-либо созданным человеком. [14] Гироскопы отличаются от идеальной сферы не более чем на 40 атомов толщины. Один из них изображен здесь, преломляющим изображение Альберта Эйнштейна на заднем плане.

Эксперимент Gravity Probe B включал четыре лондонских моментных гироскопа и опорный телескоп, направленный на IM Pegasi , двойную звезду в созвездии Пегаса . На полярной орбите , когда направления вращения гироскопа также были направлены на IM Pegasi, эффекты перетаскивания рамки и геодезические эффекты выходили под прямым углом, каждый гироскоп измерял и то, и другое.

Гироскопы были помещены в дьюар со сверхтекучим гелием , поддерживая температуру ниже 2 кельвинов (−271  °C ; −456  °F ). Требовались температуры, близкие к абсолютному нулю , чтобы минимизировать молекулярную интерференцию и позволить свинцовым и ниобиевым компонентам механизмов гироскопа стать сверхпроводящими .

На момент их изготовления гироскопы были наиболее близкими к сферическим объектами, когда-либо созданными (два гироскопа до сих пор удерживают этот рекорд, но третье место заняли кремниевые сферы, созданные в рамках проекта Авогадро ). Размером примерно с шарики для пинг-понга , они были идеально круглыми с точностью до сорока атомов (менее10 нм ). Если бы одну из этих сфер масштабировали до размеров Земли, самые высокие горы и самая глубокая океанская впадина имели бы высоту всего 2,4 м (8 футов). [15] Сферы были сделаны из плавленого кварца и покрыты чрезвычайно тонким слоем ниобия . Первостепенной задачей было минимизировать любое влияние на их вращение, чтобы гироскопы никогда не могли коснуться своего содержащего отсека. Они удерживались подвешенными с помощью электрических полей, раскручивались с помощью потока гелия, а их оси вращения определялись путем мониторинга магнитного поля сверхпроводящего слоя ниобия с помощью СКВИДов . (Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения; см. момент Лондона .)

IM Pegasi была выбрана в качестве путеводной звезды по нескольким причинам. Во-первых, она должна была быть достаточно яркой, чтобы ее можно было использовать для наблюдений. Во-вторых, она должна была находиться близко к идеальным позициям вблизи небесного экватора . Также важным было ее хорошо изученное движение в небе, чему способствовал тот факт, что эта звезда излучает относительно сильные радиосигналы . При подготовке к настройке этой миссии астрономы проанализировали радиоизмерения положения относительно далеких квазаров, проведенные в течение нескольких лет, чтобы понять ее движение настолько точно, насколько это было необходимо.

История

Представление геодезического эффекта.

Концептуальный проект этой миссии был впервые предложен профессором Массачусетского технологического института Джорджем Пью, который работал с Министерством обороны США ви позже обсуждалось Леонардом Шиффом ( Стэнфорд ) впо предложению Пью, основанному частично на теоретической статье об обнаружении перетаскивания кадров, которую Шифф написал в. Это было предложено НАСА в, и они поддержали проект средствами в. Этот грант закончился впосле длительного этапа инженерных исследований основных требований и инструментов для спутника.

ВНАСА изменило планы по запуску космического челнока , что заставило команду миссии перейти от проекта запуска на основе шаттла к проекту, основанному на Delta 2, и вЗапланированные испытания прототипа в ходе полета шаттла также были отменены.

Gravity Probe B — первый случай, когда Стэнфордский университет контролирует разработку и эксплуатацию космического спутника, финансируемого НАСА.

Общая стоимость проекта составила около 750 миллионов долларов. [16]

Хронология миссии

Gravity Probe B перед запуском

Это список основных событий эксперимента GP-B.

Запуск GP-B с авиабазы ​​Ванденберг и успешный вывод на полярную орбиту.
GP-B вошел в свою научную фазу. На 129-й день миссии все системы были настроены на готовность к сбору данных, за исключением гироскопа 4, которому требовалась дополнительная настройка оси вращения.
Научная фаза миссии завершилась, и приборы космического корабля перешли в режим финальной калибровки.
Фаза калибровки завершилась с жидким гелием в дьюаре. Космический аппарат был возвращен в научный режим в ожидании истощения жидкого гелия.
Фаза I анализа данных завершена
Группа аналитиков поняла, что необходим более глубокий анализ ошибок (особенно в отношении полюсного движения гироскопов), чем можно было сделать за отведенное время.и подал заявку в НАСА на продление финансирования до конца.
Завершение III этапа анализа данных
Объявление о лучших результатах, полученных на сегодняшний день. Фрэнсис Эверитт выступил с пленарным докладом на заседании Американского физического общества, объявив о первых результатах: [17] «Данные с гироскопов GP-B четко подтверждают предсказанный Эйнштейном геодезический эффект с точностью лучше 1 процента. Однако эффект перетаскивания рамки в 170 раз меньше геодезического эффекта, и ученые Стэнфорда все еще извлекают его сигнатуру из данных космического корабля». [18]
Космический аппарат GP-B выведен из эксплуатации, оставлен на полярной орбите высотой 642 км (399 миль). [19]
Были объявлены окончательные результаты эксперимента GP-B. На публичном пресс-конференции в штаб-квартире NASA главный исследователь GP-B Фрэнсис Эверитт представил окончательные результаты Gravity Probe B. [20]
Публикация специального тома GP-B (том 32, выпуск 22) в рецензируемом журнале Classical and Quantum Gravity . [21]

На, было объявлено, что получено несколько неожиданных сигналов, и что их необходимо будет отделить, прежде чем можно будет опубликовать окончательные результаты.было объявлено, что оси вращения гироскопов были затронуты крутящим моментом, причем со временем это менялось, что требовало дальнейшего анализа, чтобы скорректировать результаты для этого источника ошибки. Следовательно, дата окончательного выпуска данных несколько раз переносилась. В данных для результатов перетаскивания рамы, представленных наНа заседании Американского физического общества случайные ошибки были намного больше теоретического ожидаемого значения и были разбросаны как в положительную, так и в отрицательную сторону от нулевого результата, что вызвало скептицизм относительно возможности извлечения в будущем каких-либо полезных данных для проверки этого эффекта.

В, было выпущено подробное обновление, объясняющее причину проблемы и решение, над которым велась работа. Хотя электростатические пятна, вызванные неравномерным покрытием сфер, ожидались и, как считалось, контролировались до эксперимента, впоследствии было обнаружено, что последний слой покрытия на сферах определял две половины слегка отличающегося контактного потенциала , что давало сфере электростатическую ось. Это создавало классический дипольный крутящий момент на каждом роторе, величина которого была аналогична ожидаемому эффекту перетаскивания рамки. Кроме того, он рассеивал энергию от движения полодии , индуцируя токи в электродах корпуса, заставляя движение меняться со временем. Это означало, что простой усредненной по времени модели полодии было недостаточно, и для устранения эффекта требовалась подробная модель орбита за орбитой. Поскольку предполагалось, что «все может пойти не так», заключительной частью миссии полета была калибровка, где среди других действий данные собирались с преднамеренно смещенной оси космического корабля для, чтобы усугубить любые потенциальные проблемы. Эти данные оказались бесценными для определения эффектов. С электростатическим моментом, смоделированным как функция смещения осей, и движением полодии, смоделированным на достаточно тонком уровне, была надежда изолировать релятивистские моменты до первоначально ожидаемого разрешения.

Стэнфорд согласился опубликовать необработанные данные для общественности в неопределенную дату в будущем. Вероятно, что эти данные будут изучены независимыми учеными и независимо сообщены общественности после окончательного выпуска учеными проекта. Поскольку будущие интерпретации данных учеными за пределами GP-B могут отличаться от официальных результатов, может потребоваться еще несколько лет, чтобы все данные, полученные GP-B, были полностью поняты. [ требуется обновление ]

Обзор НАСА

Обзор, проведенный группой из 15 экспертов по заказу НАСА, рекомендовал не продлевать фазу анализа данных за пределы. Они предупредили, что требуемое снижение уровня шума (из-за классических моментов и перерывов в сборе данных из-за солнечных вспышек) «настолько велико, что любой эффект, в конечном итоге обнаруженный этим экспериментом, должен будет преодолеть значительный (и, по нашему мнению, вполне оправданный) скептицизм в научном сообществе». [22]

Анализ данных по NASA

Финансирование и спонсорство программы со стороны НАСА закончились, но GP-B получил альтернативное финансирование от Города короля Абдулазиза по науке и технологиям в Саудовской Аравии [6], что позволило научной группе продолжить работу по крайней мере через. Нав Стэнфорде состоялось 18-е заседание внешнего консультативного комитета по науке GP-B, на котором был представлен отчет о ходе работ.

Аналитическая группа из Стэнфорда и НАСА объявили очто данные GP-B действительно подтверждают два предсказания общей теории относительности Альберта Эйнштейна. [23] Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters . [8] Перспективы дальнейшего экспериментального измерения увлечения системы отсчета после GP-B были прокомментированы в журнале Europhysics Letters . [24]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdef "Gravity Probe B" (PDF) . Факты о НАСА . НАСА и Стэнфордский университет . Февраль 2005 г. Получено 17 марта 2011 г. .
  2. ^ abc "Орбита космического корабля: Gravity Probe B". Национальный центр данных по космической науке. 2004. Получено 18 января 2015 г.
  3. ^ G. Hanuschak; H. Small; D. DeBra; K. Galal; A. Ndili; P. Shestople. "GPS Orbit Determination with Verification by Satellite Laser Ranging" (PDF) . Получено 17 марта 2011 г. .
  4. ^ "Часто задаваемые вопросы". Gravity Probe B. Стэнфордский университет. Ответы на вопросы о космических аппаратах и ​​операциях миссии: 1. Когда и где был запущен GP-B, и где я могу найти фотографии, видео или новостные сюжеты о запуске?. Получено 14 мая 2009 г.
  5. ^ "Часто задаваемые вопросы". Gravity Probe B. Стэнфордский университет. Ответы на вопросы по космическим аппаратам и управлению миссиями: 4. Где находится Центр управления миссиями GP-B (MOC) для управления космическим аппаратом на орбите?. Получено 14 мая 2009 г.
  6. ^ abc Gugliotta, G. (16 февраля 2009 г.). «Упорство окупается для проверки теории относительности в космосе». The New York Times . Получено 18 февраля 2009 г.
  7. ^ Эверитт, CWF; Паркинсон, BW (2009). "Результаты научных исследований Gravity Probe B — Заключительный отчет НАСА" (PDF) . Получено 2 мая 2009 г.
  8. ^ ab Everitt; et al. (2011). "Gravity Probe B: Final Results of a Space Experiment to Test General Relativity". Physical Review Letters . 106 (22): 221101. arXiv : 1105.3456 . Bibcode : 2011PhRvL.106v1101E. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.221101. PMID  21702590. S2CID  11878715.
  9. ^ Ciufolini, I.; Lucchesi, D.; Vespe, F.; Chieppa, F. (1997). «Обнаружение эффекта Лензе–Тирринга из-за вращения Земли». arXiv : gr-qc/9704065 .
  10. ^ "Эффект деформации Эйнштейна измерен". BBC News . 21 октября 2004 г. Получено 14 мая 2009 г.
  11. ^ Пеплоу, М. (2004). «Вращение Земли искривляет пространство». Nature News . doi :10.1038/news041018-11.
  12. ^ «Обзор миссии GP-B». Gravity Probe B. Стэнфордский университет. 2011. Получено 18 января 2015 г.
  13. ^ Крог, К. (ноябрь 2007 г.). «Комментарий к «Доказательствам гравитомагнитного поля Марса»". Классическая и квантовая гравитация . 24 (22): 5709–5715. arXiv : astro-ph/0701653 . Bibcode : 2007CQGra..24.5709K. doi : 10.1088/0264-9381/24/22/N01. S2CID  12238950.
  14. ^ Barry, PL (26 апреля 2004 г.). «A Pocket of Near-Perfection». Science@NASA . Архивировано из оригинала 12 мая 2009 г. . Получено 20 мая 2009 г. .
  15. ^ Хардвуд, У. (20 апреля 2004 г.). «Космический корабль запущен для проверки теорий Альберта Эйнштейна». Spaceflight Now . Получено 14 мая 2009 г.
  16. ↑ Девин Пауэлл (4 мая 2011 г.). «Gravity Probe B наконец-то окупается». Science News . Архивировано из оригинала 30 сентября 2012 г. Получено 7 мая 2011 г.
  17. ^ "Exciting April Plenary Talks – Saturday, 14 April". Архивировано из оригинала 20 февраля 2007 года . Получено 16 ноября 2006 года .
  18. ^ Хан, Б. (14 апреля 2007 г.). «Was Einstein Right» (PDF) . Stanford News . Stanford University . Получено 14 мая 2009 г. .
  19. ^ "Gravity Probe-B Latest News". NASA . Архивировано из оригинала 22 января 2022 года . Получено 20 февраля 2011 года .
  20. ^ "ОБНОВЛЕНИЕ СТАТУСА GP-B — 4 мая 2011 г.". Gravity Probe B . NASA и Стэнфордский университет . NASA Headquarters Science Update/Press Conference . Получено 6 мая 2011 г. .
  21. ^ Клиффорд М. Уилл (17 ноября 2015 г.). "В центре внимания: Gravity Probe B". Классическая и квантовая гравитация . 32 (22). IOP: 220301. Bibcode : 2015CQGra..32v0301W. doi : 10.1088/0264-9381/32/22/220301 .
  22. ^ Хехт, Дж. (20 мая 2008 г.). «Gravity Probe B получил оценку „F“ в обзоре NASA». New Scientist . Получено 20 мая 2008 г.
  23. ^ "Stanford's Gravity Probe B подтверждает две теории Эйнштейна". Stanford News . Стэнфордский университет. 4 мая 2011 г.
  24. ^ Л. Иорио (ноябрь 2011 г.). "Некоторые соображения по поводу современных результатов обнаружения перетаскивания кадров после окончательного результата GP-B". Europhysics Letters . 96 (3): 30001. arXiv : 1105.4145 . Bibcode : 2011EL.....9630001I. doi : 10.1209/0295-5075/96/30001. S2CID  118532421.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Gravity Probe B.