stringtranslate.com

Гравитационный зонд Б

Gravity Probe B ( GP-B ) — спутниковый эксперимент для проверки двух непроверенных предсказаний общей теории относительности: геодезического эффекта и перетаскивания системы отсчета . Это должно было быть достигнуто путем очень точного измерения крошечных изменений в направлении вращения четырех гироскопов, находящихся на спутнике, вращающемся на околоземной орбите на высоте 650 км (400 миль), пересекающем прямо над полюсами.

Спутник был запущен 20 апреля 2004 года ракетой «Дельта II» . [4] Фаза космического полета длилась до; [5] Его целью было измерение кривизны пространства-времени вблизи Земли и, следовательно, тензора энергии-импульса (который связан с распределением и движением материи в космосе) внутри и вблизи Земли. Это обеспечило проверку общей теории относительности , гравитомагнетизма и связанных с ней моделей. Главным исследователем был Фрэнсис Эверитт .

Первоначальные результаты подтвердили ожидаемый геодезический эффект с точностью около 1%. Ожидаемый эффект перетаскивания кадров по величине был аналогичен текущему уровню шума (в шуме преобладали изначально немоделированные эффекты из-за неоднородного покрытия гироскопов). Продолжалась работа по моделированию и учету этих источников ошибок, что позволило извлечь сигнал перетаскивания кадров. Кэффект перетаскивания кадров был подтвержден с точностью до 15% от ожидаемого результата, [6] и В отчете НАСА указано, что геодезический эффект оказался выше 0,5%. [7]

В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters в, авторы сообщили, что анализ данных всех четырех гироскопов приводит к скорости геодезического дрейфа−6 601,8 ± 18,3  мс / год и скорость дрейфа кадра−37,2 ± 7,2 мсек/год , что хорошо согласуется с предсказаниями общей теории относительности−6 606,1 ± 0,28% мс/ год и−39,2 ± 0,19% мс/год соответственно. [8]

Обзор

Gravity Probe B — эксперимент с гироскопом относительности , финансируемый НАСА. Работы возглавил физический факультет Стэнфордского университета , а Lockheed Martin выступил в качестве основного субподрядчика. Ученые миссии рассматривали это как второй эксперимент относительности в космосе после успешного запуска гравитационного зонда А (GP-A) в космосе..

Планы миссии заключались в проверке двух непроверенных предсказаний общей теории относительности: геодезического эффекта и перетаскивания системы координат . Это должно было быть достигнуто путем очень точного измерения крошечных изменений в направлении вращения четырех гироскопов, содержащихся на спутнике Земли, вращающемся на орбите на высоте 650 км (400 миль) и пересекающем прямо над полюсами. Гироскопы должны были быть настолько свободными от помех, что могли бы обеспечить почти идеальную систему отсчета пространства-времени . Это позволило бы им показать, как пространство и время «искажаются» из-за присутствия Земли и насколько вращение Земли «тянет» за собой пространство-время.

Геодезический эффект — это эффект, вызванный тем, что пространство-время «искривляется» массой Земли. Ось гироскопа, когда она параллельно перемещается вокруг Земли за один полный оборот, не указывает точно в том же направлении, что и раньше. «Отсутствующий» угол можно рассматривать как величину, на которую гироскоп «наклоняется» к наклону кривизны пространства-времени. Более точное объяснение части геодезической прецессии, связанной с кривизной пространства, можно получить, используя почти плоский конус для моделирования пространственной кривизны гравитационного поля Земли. Такой конус делается путем вырезания из круга тонкого «кусочка пирога» и склеивания отрезанных краев. Пространственная геодезическая прецессия является мерой недостающего угла «кусочка пирога». Ожидалось, что «Гравитационный зонд B» измерит этот эффект с точностью до одной десятитысячной, что станет наиболее строгой проверкой общих релятивистских предсказаний на сегодняшний день.

Гораздо меньший эффект перетаскивания кадра 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 с двух спутников LAGEOS .и, утверждал, что обнаружил эффект перетаскивания кадров с точностью около 20% и 10% соответственно, [9] [10] [11] , тогда как Gravity Probe B стремился измерить эффект перетаскивания кадров с точностью до 1%. [12] Однако Лоренцо Иорио заявил, что уровень общей неопределенности испытаний, проведенных с двумя спутниками LAGEOS, вероятно, был сильно недооценен. [13] [14] [15] [16] [17] [18] Недавний анализ данных Mars Global Surveyor утверждает, что подтвердил эффект перетаскивания кадра с точностью 0,5%, [19] хотя точность этого претензия оспаривается. [20] [21] Также недавно был исследован эффект Лензе-Тирринга на Солнце ввиду возможного его обнаружения на внутренних планетах в ближайшем будущем. [22]

Запуск был запланирован нана базе ВВС Ванденберг , но был очищен в течение 5 минут после запланированного окна запуска из-за изменения ветра в верхних слоях атмосферы. Необычной особенностью миссии является то, что окно запуска составляло всего одну секунду из-за точной орбиты, необходимой для эксперимента. На ТИХООКЕАНСКОЕ ЛЕТНЕЕ ВРЕМЯ ( UTC ) космический корабль был успешно запущен. Спутник был выведен на орбитуЯВЛЯЮСЬ (UTC) после крейсерского периода над южным полюсом и короткого второго горения. Миссия длилась 16 месяцев.

Некоторые предварительные результаты были представлены на специальной сессии во время собрания Американского физического общества в. НАСА первоначально запросило предложение о продлении этапа анализа данных GP-B за счет. Фаза анализа данных была расширена доиспользуя финансирование от Ричарда Фэрбанка , Стэнфорда и НАСА, а далее используя только финансирование, не предоставленное НАСА. [6] Окончательные научные результаты были опубликованы в.

Экспериментальная установка

В то время гироскопы из плавленого кварца , созданные для Гравитационного зонда B, были наиболее совершенными сферами , когда-либо созданными людьми. [23] Гироскопы отличаются от идеальной сферы не более чем на 40 атомов толщины. Здесь изображен один из них, преломляющий образ Альберта Эйнштейна на заднем плане.

Эксперимент Gravity Probe B включал четыре лондонских моментных гироскопа и опорный телескоп , наблюдаемый на IM Pegasi , двойной звезде в созвездии Пегаса . На полярной орбите , когда направления вращения гироскопа также указывали на IM Pegasi, перетаскивание системы координат и геодезические эффекты проявлялись под прямыми углами, причем каждый гироскоп измерял и то, и другое.

Гироскопы были помещены в дьюар из сверхтекучего гелия , поддерживающий температуру ниже 2 кельвинов (-271  ° C ; -456  ° F ). Температуры , близкие к абсолютному нулю, были необходимы, чтобы минимизировать молекулярное взаимодействие и позволить свинцовым и ниобиевым компонентам механизмов гироскопа стать сверхпроводящими .

На момент изготовления гироскопы были наиболее близкими к сферическим объектами из когда-либо созданных (два гироскопа до сих пор удерживают этот рекорд, но третье место заняли кремниевые сферы, созданные в рамках проекта Авогадро ). Размером примерно с мячики для пинг-понга , они были идеально круглыми с точностью до сорока атомов (менее10 нм ). Если бы одну из этих сфер масштабировать до размеров Земли, самые высокие горы и самая глубокая океанская впадина имели бы высоту всего 2,4 м (8 футов). [24] Сферы были изготовлены из плавленого кварца и покрыты чрезвычайно тонким слоем ниобия . Главной задачей было свести к минимуму любое влияние на их вращение, чтобы гироскопы никогда не могли коснуться своего отсека. Они удерживались в подвешенном состоянии с помощью электрических полей, раскручивались с помощью потока газообразного гелия, а оси их вращения определялись путем мониторинга магнитного поля сверхпроводящего слоя ниобия с помощью СКВИДов . (Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно ориентированное по оси вращения; см. Момент Лондона .)

IM Pegasi была выбрана в качестве путеводной звезды по нескольким причинам. Во-первых, он должен был быть достаточно ярким, чтобы его можно было использовать для наблюдений. Тогда это было близко к идеальному положению вблизи небесного экватора . Также важным было ее хорошо изученное движение на небе, чему способствовал тот факт, что эта звезда излучает относительно сильные радиосигналы . Готовясь к организации этой миссии, астрономы проанализировали радиоизмерения положения далеких квазаров, сделанные в течение нескольких лет, чтобы понять его движение настолько точно, насколько это 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 обсуждался Леонардом Шиффом ( Стэнфорд ) впо предложению Пью, частично основанному 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 относительно космического корабля «Шаттл» , что вынудило команду миссии перейти от схемы запуска с использованием шаттла к конструкции, основанной на «Дельта-2», и вЗапланированные испытания прототипа на шаттле также были отменены.

Gravity Probe B стал первым случаем, когда Стэнфордский университет взял под контроль разработку и эксплуатацию космического спутника, финансируемого НАСА.

Общая стоимость проекта составила около 750 миллионов долларов. [25]

График миссии

Это список основных событий эксперимента GP-B.

Запуск GP-B с авиабазы ​​Ванденберг и успешный вывод на полярную орбиту.
GP-B вступил в научную фазу. В 129-й день миссии все системы были настроены так, чтобы быть готовыми к сбору данных, за исключением гироскопа 4, которому требовалось дальнейшее выравнивание оси вращения.
Научный этап миссии завершился, и приборы космического корабля перешли в режим окончательной калибровки.
Фаза калибровки завершилась, когда жидкий гелий все еще находился в дьюаре. Космический корабль был возвращен в научный режим в ожидании истощения запасов жидкого гелия.
Этап I анализа данных завершен
Аналитическая группа поняла, что необходимо больше анализа ошибок (особенно вокруг движения гироскопов), чем можно было сделать за время, необходимое для анализа.и обратился в НАСА с просьбой о продлении финансирования до конца.
Завершение этапа III анализа данных
Объявление лучших результатов, полученных на сегодняшний день. Фрэнсис Эверитт выступил с пленарной речью на заседании Американского физического общества, объявив о первоначальных результатах: [26] «Данные гироскопов GP-B ясно подтверждают предсказанный Эйнштейном геодезический эффект с точностью лучше 1 процента. эффект перетаскивания в 170 раз меньше геодезического эффекта, и ученые Стэнфорда все еще извлекают его сигнатуры из данных космического корабля». [27]
Космический корабль ГП-Б выведен из эксплуатации и остался на полярной орбите высотой 642 км (399 миль). [28]
GP-B Объявлены окончательные результаты экспериментов. На мероприятии для прессы и СМИ в штаб-квартире НАСА главный исследователь GP-B Фрэнсис Эверитт представил окончательные результаты гравитационного зонда B. [29]
Публикация специального тома GP-B (том № 32, выпуск № 22) в рецензируемом журнале Classical and Quantum Gravity . [30]

Набыло объявлено, что был получен ряд неожиданных сигналов и что их необходимо будет проанализировать, прежде чем можно будет опубликовать окончательные результаты. Вбыло объявлено, что на оси вращения гироскопов влияет крутящий момент, который меняется со временем, что требует дальнейшего анализа, чтобы можно было скорректировать результаты с учетом этого источника ошибок. В результате дата окончательного опубликования данных несколько раз переносилась. В данных о результатах перетаскивания кадров, представленных наНа заседании Американского физического общества случайные ошибки были намного больше, чем теоретическое ожидаемое значение, и разбросаны как по положительным, так и по отрицательным сторонам нулевого результата, что вызывало скептицизм относительно того, можно ли в будущем извлечь какие-либо полезные данные для проверки этого результата. эффект.

В, было выпущено подробное обновление с объяснением причины проблемы и решения, над которым ведется работа. Хотя электростатические пятна, вызванные неравномерным покрытием сфер, ожидались и считалось, что их контролировали перед экспериментом, впоследствии было обнаружено, что последний слой покрытия на сферах определял две половины слегка различающегося контактного потенциала . , что придало сфере электростатическую ось. Это создавало классический дипольный крутящий момент на каждом роторе, по величине аналогичный ожидаемому эффекту сопротивления кадра. Кроме того, он рассеивал энергию движения полодода , индуцируя токи в электродах корпуса, заставляя движение меняться со временем. Это означало, что простой модели полхода, усредненной по времени, было недостаточно, и для устранения эффекта требовалась подробная модель орбиты за орбитой. Поскольку ожидалось, что «все может пойти не так», заключительной частью полета была калибровка, во время которой, помимо других действий, собирались данные, при этом ось космического корабля была намеренно смещена для, чтобы усугубить любые потенциальные проблемы. Эти данные оказались неоценимыми для выявления эффектов. С помощью электростатического крутящего момента, смоделированного как функция смещения осей, и движения полода, смоделированного на достаточно точном уровне, предполагалось изолировать относительные крутящие моменты до первоначально ожидаемого разрешения.

Стэнфорд согласился опубликовать необработанные данные в неустановленную дату в будущем. Вполне вероятно, что эти данные будут изучены независимыми учеными и независимо сообщены общественности намного позже окончательного опубликования учеными проекта. Поскольку будущие интерпретации данных учеными, не входящими в GP-B, могут отличаться от официальных результатов, для полного понимания всех данных, полученных GP-B, может потребоваться еще несколько лет. [ нужно обновить ]

Обзор НАСА

Обзор, проведенный группой из 15 экспертов по заказу НАСА, рекомендовал не продлевать этап анализа данных за пределы. Они предупредили, что требуемое снижение уровня шума (из-за классических крутящих моментов и перерывов в сборе данных из-за солнечных вспышек) «настолько велико, что любой эффект, в конечном итоге обнаруженный этим экспериментом, придется преодолевать значительные (и, по нашему мнению, вполне оправданные) скептицизм в научном сообществе». [31]

Анализ данных после НАСА

Финансирование и спонсорство программы НАСА закончилось, но GP-B получила альтернативное финансирование от Города науки и технологий имени короля Абдель Азиза в Саудовской Аравии [6] , что позволило научной группе продолжить работу, по крайней мере, через. На, 18-е заседание внешнего научного консультативного комитета GP-B было проведено в Стэнфорде, чтобы сообщить о прогрессе.

Аналитическая группа из Стэнфорда и НАСА объявили очто данные GP-B действительно подтверждают два предсказания общей теории относительности Альберта Эйнштейна. [32] Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters . [8] Перспективы дальнейших экспериментальных измерений перетаскивания кадров после GP-B были прокомментированы в журнале Europhysical Letters . [33]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdef «Гравитационный зонд B» (PDF) . Факты НАСА . НАСА и Стэнфордский университет . Февраль 2005 года . Проверено 17 марта 2011 г.
  2. ^ abc «Орбита космического корабля: Гравитационный зонд B» . Национальный центр данных космических исследований. 2004 . Проверено 18 января 2015 г.
  3. ^ Г. Ганущак; Х. Смолл; Д. ДеБра; К. Галал; А. Ндили; П. Шестопле. «Определение орбиты гравитационным зондом B по GPS с проверкой с помощью спутниковой лазерной локации» (PDF) . Проверено 17 марта 2011 г.
  4. ^ «Часто задаваемые вопросы» . Гравитационный зонд Б. Стэндфордский Университет. Ответы на вопросы по эксплуатации космических кораблей и миссий: 1. Когда и где был запущен ГП-Б и где можно найти фотографии, видео или новостные ролики запуска? . Проверено 14 мая 2009 г.
  5. ^ «Часто задаваемые вопросы» . Гравитационный зонд Б. Стэндфордский Университет. Ответы на вопросы по управлению космическими кораблями и полетами: 4. Где находится Центр управления полетами ГП-Б (ЦУП) для управления космическими кораблями на орбите? . Проверено 14 мая 2009 г.
  6. ^ abc Гульотта, Г. (16 февраля 2009 г.). «Настойчивость окупается при проверке теории относительности в космосе». Нью-Йорк Таймс . Проверено 18 февраля 2009 г.
  7. ^ Эверитт, CWF; Паркинсон, BW (2009). «Научные результаты гравитационного зонда B — итоговый отчет НАСА» (PDF) . Проверено 2 мая 2009 г.
  8. ^ аб Эверитт; и другие. (2011). «Гравитационный зонд B: окончательные результаты космического эксперимента по проверке общей теории относительности». Письма о физических отзывах . 106 (22): 221101. arXiv : 1105.3456 . Бибкод : 2011PhRvL.106v1101E. doi :10.1103/PhysRevLett.106.221101. PMID  21702590. S2CID  11878715.
  9. ^ Чуфолини, И.; Луккези, Д.; Веспе, Ф.; Кьеппа, Ф. (1997). «Обнаружение эффекта линзы-Тирринга из-за вращения Земли». arXiv : gr-qc/9704065 .
  10. ^ «Измеренный эффект деформации Эйнштейна» . Новости BBC . 21 октября 2004 года . Проверено 14 мая 2009 г.
  11. ^ Пеплоу, М. (2004). «Вращающаяся Земля искривляет пространство». Новости природы . дои : 10.1038/news041018-11.
  12. ^ «Обзор миссии GP-B». Гравитационный зонд Б. Стэндфордский Университет. 2011 . Проверено 18 января 2015 г.
  13. ^ Иорио, Л. (2005). «О надежности проведенных к настоящему времени испытаний по измерению эффекта Лензе – Тирринга на спутниках LAGEOS». Новая астрономия . 10 (8): 603–615. arXiv : gr-qc/0411024 . Бибкод : 2005NewA...10..603I. doi :10.1016/j.newast.2005.01.001. S2CID  14563677.
  14. ^ Иорио, Л. (2006). «Критический анализ недавнего испытания эффекта Лензе-Тирринга со спутниками LAGEOS». Журнал геодезии . 80 (3): 123–136. arXiv : gr-qc/0412057 . Бибкод : 2006JGeod..80..128I. дои : 10.1007/s00190-006-0058-4. S2CID  2157036.
  15. ^ Иорио, Л. (2007). «Оценка измерения эффекта Лензе-Тирринга в гравитационном поле Земли, в ответ на: «Об измерении эффекта Лензе-Тирринга с использованием узлов спутников LAGEOS, в ответ на «О надежности так далеко проведены испытания по измерению эффекта Лензе-Тирринга на спутниках LAGEOS "Л. Иорио", И. Чуфолини и Э. Павлиса". Планетарная и космическая наука . 55 (4): 503–511. arXiv : gr-qc/0608119 . Бибкод : 2007P&SS...55..503I. дои :10.1016/j.pss.2006.08.001.
  16. ^ Иорио, Л. (февраль 2010 г.). «Консервативная оценка неопределенности теста LAGEOS-LAGEOS II Ленса-Тирринга». Центральноевропейский физический журнал . 8 (1): 25–32. arXiv : 0710.1022 . Бибкод : 2010CEJPh...8...25I. дои : 10.2478/s11534-009-0060-6. S2CID  16668743.
  17. ^ Иорио, Л. (декабрь 2009 г.). «Оценка систематической неопределенности в настоящих и будущих испытаниях эффекта линзы-Тирринга с помощью спутниковой лазерной локации». Обзоры космической науки . 148 (1–4): 363–381. arXiv : 0809.1373 . Бибкод :2009ССРв..148..363И. doi : 10.1007/s11214-008-9478-1. S2CID  15698399.
  18. ^ Иорио, Л. (2009). Недавние попытки измерить общерелятивистский эффект линзы-Тирринга на естественных и искусственных телах Солнечной системы . Том. 017. Proceedings of Science PoS (ISFTG). arXiv : 0905.0300 . Бибкод : 2009ftg..confE...1I.
  19. ^ Иорио, Л. (август 2006 г.). «Заметка о доказательствах гравитомагнитного поля Марса». Классическая и квантовая гравитация . 23 (17): 5451–5454. arXiv : gr-qc/0606092 . Бибкод : 2006CQGra..23.5451I. дои : 10.1088/0264-9381/23/17/N01. S2CID  118233440.
  20. ^ Крог, К. (ноябрь 2007 г.). «Комментарий к записи «Доказательства наличия гравитомагнитного поля Марса»". Классическая и квантовая гравитация . 24 (22): 5709–5715. arXiv : astro-ph/0701653 . Бибкод : 2007CQGra..24.5709K. doi : 10.1088/0264-9381/24/22/N01. S2CID  12238950.
  21. ^ Иорио, Л. (июнь 2010 г.). «Об испытании Ленсе-Тирринга с Mars Global Surveyor в гравитационном поле Марса». Центральноевропейский физический журнал . 8 (3): 509–513. arXiv : gr-qc/0701146 . Бибкод : 2010CEJPh...8..509I. дои : 10.2478/s11534-009-0117-6. S2CID  16052420.
  22. ^ Иорио, Л. (2005). «Можно ли измерить эффект Лензе-Тирринга на орбитах планет в гравитационном поле Солнца?». Астрономия и астрофизика . 431 : 385–389. arXiv : gr-qc/0407047 . Бибкод : 2005A&A...431..385I. дои : 10.1051/0004-6361:20041646. S2CID  10865318.
  23. ↑ Барри, Польша (26 апреля 2004 г.). «Карман почти совершенства». Наука@НАСА . Архивировано из оригинала 12 мая 2009 года . Проверено 20 мая 2009 г.
  24. ↑ Хардвуд, В. (20 апреля 2004 г.). «Космический корабль запущен для проверки теории Альберта Эйнштейна». Космический полет сейчас . Проверено 14 мая 2009 г.
  25. ↑ Девин Пауэлл (4 мая 2011 г.). «Гравитационный зонд B наконец-то окупился». Новости науки . Архивировано из оригинала 30 сентября 2012 года . Проверено 7 мая 2011 г.
  26. ^ «Захватывающие апрельские пленарные выступления - суббота, 14 апреля» . Архивировано из оригинала 20 февраля 2007 года . Проверено 16 ноября 2006 г.
  27. ^ Хан, Б. (14 апреля 2007 г.). «Был ли прав Эйнштейн» (PDF) . Стэнфордские новости . Стэндфордский Университет . Проверено 14 мая 2009 г.
  28. ^ "Последние новости Гравитационного Зонда-Б" . НАСА . Архивировано из оригинала 22 января 2022 года . Проверено 20 февраля 2011 г.
  29. ^ «ОБНОВЛЕНИЕ СТАТУСА GP-B — 4 мая 2011 г.» . Гравитационный зонд Б. НАСА и Стэнфордский университет . Новости науки/пресс-конференция штаб-квартиры НАСА . Проверено 6 мая 2011 г.
  30. ↑ Клиффорд М. Уилл (17 ноября 2015 г.). «Основной вопрос: гравитационный зонд B». Классическая и квантовая гравитация . ИОП. 32 (22): 220301. Бибкод : 2015CQGra..32v0301W. дои : 10.1088/0264-9381/32/22/220301 .
  31. ↑ Хехт, Дж. (20 мая 2008 г.). «Гравитационный зонд B получил оценку F в обзоре НАСА» . Новый учёный . Проверено 20 мая 2008 г.
  32. ^ «Стэнфордский гравитационный зонд B подтверждает две теории Эйнштейна» . Стэнфордские новости . Стэндфордский Университет. 4 мая 2011 г.
  33. ^ Л. Иорио (ноябрь 2011 г.). «Некоторые соображения по поводу современных результатов обнаружения перетаскивания кадров после окончательного результата GP-B». Письма по еврофизике . 96 (3): 30001. arXiv : 1105.4145 . Бибкод : 2011EL.....9630001I. дои : 10.1209/0295-5075/96/30001. S2CID  118532421.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с гравитационным зондом B .