Кіріспе
Орбиталық гравитациялық обсерватория. Gravity Probe B (GP B) – жалпы салыстырмалылық теориясының екі расталмаған болжамын – геодезиялық эффектіні және кадрдың инерциялық сүйрелуін тексеруге арналған спутниктік эксперимент. Бұл үшін төрт гироскоптың айналу бағытындағы өте шағын өзгерістерді өлшеу қажет еді. Гироскоптар Жерді айналып жүретін спутникте орналасқан, ал спутник полюстердің үстінен өтетін болды. Спутник 2004 жылғы 20 сәуірде Delta II ракетасымен ұшырылды. Ғарышқа ұшу фазасы 2005 жылға дейін жалғасты; мақсаты – Жер маңындағы кеңістік-уақыт қисықтығын өлшеу, сондай-ақ Жердің ішінде және маңындағы материяның таралуы мен қозғалысына байланысты стресс-энергия тензорын (stress–energy tensor) өлшеу. Бұл жалпы салыстырмалылық теориясын, гравитомагнетизмді және осымен байланысты модельдерді тексеруге мүмкіндік берді. Бас тергеуші – Фрэнсис Эверитт. Алғашқы нәтижелер геодезиялық эффектіні шамамен 1% дәлдікпен растады. Күтілетін кадрдың инерциялық сүйрелу эффектісі ағымдағы шу деңгейіне ұқсас болды (шудың басым бөлігі гироскоптардың біркелкі емес жабындарынан туындаған, бастапқыда модельденбеген эффектілерге байланысты болды). Осы қателік көздерін модельдеу және есепке алу жұмысы жалғасты, бұл кадрдың инерциялық сүйрелу сигналын алуға мүмкіндік берді. 2008 жылдың тамызына қарай кадрдың инерциялық сүйрелу эффектісі күтілетін нәтижеден 15% шегінде расталды, ал 2008 жылдың желтоқсанындағы NASA есебі геодезиялық эффектінің 0,5% -дан артық дәлдікпен расталғанын көрсетті. 2011 жылы Physical Review Letters журналында жарияланған мақалада авторлар төрт гироскоптан алынған деректерді талдау нәтижесінде геодезиялық дрейф жылдамдығы −6601,8, ал кадрдың инерциялық сүйрелу дрейф жылдамдығы −37,2 екенін хабарлады. Бұл жалпы салыстырмалылық теориясының болжаған −6606,1 және −39,2 мәндерімен жақсы сәйкес келеді. Gravity Probe B мақсаты – кадрдың инерциялық сүйрелу эффектін 1% дәлдікпен өлшеу еді. Алайда, Лоренцо Иорио екі LAGEOS спутнигімен жүргізілген сынақтардың жалпы белгісіздік деңгейі едәуір төмен бағаланған болуы мүмкін деп мәлімдеді. Mars Global Surveyor деректерінің жақындағы талдауы кадрдың инерциялық сүйрелу эффектін 0,5% дәлдікпен растады деп мәлімдеді, бірақ бұл мәлімдеменің дұрыстығы күмәнді. Сондай-ақ, Күннің Ленсе–Тирринг эффектісі жақын болашақта ішкі планеталармен анықтау мүмкіндігін ескере отырып, жақында зерттелді. Ұшыру 2004 жылғы 19 сәуірде Ванденберг әуе базасында жоспарланған, бірақ жоғары атмосферадағы желдің өзгеруіне байланысты ұшыру терезесінен 5 минут бұрын тоқтатылды. Миссияның ерекшелігі – экспериментке қажетті дәл орбитаға байланысты ұшыру терезесінің бір секундқа ғана созуы. 20 сәуірде, сағат 9:57:23 PDT (16:57:23 UTC) ғарыш кемесі сәтті ұшырылды. Спутник Оңтүстік полюстің үстінен өту кезеңінен және қысқа секундтық күйдіруден кейін сағат 11:12:33 (18:12:33 UTC) орбитаға шығарылды. Миссия 16 айға созылды. Кейбір алдын ала нәтижелер 2007 жылғы сәуірде Америка физикалық қоғамының отырысында арнайы сессияда ұсынылды. NASA бастапқыда GP B деректерін талдау фазасын 2007 жылдың желтоқсанына дейін ұзарту туралы ұсыныс жасады. Деректерді талдау фазасы Ричард Фэрбанк, Стэнфорд және NASA қаражатымен 2008 жылдың қыркүйегіне дейін, ал одан кейін NASA қаражатынсыз жалғастырылды. Гироскоптардың пішіні кемелді шардан 40 атомнан аспайтын қалыңдықпен ерекшеленеді. Суретте Альберт Эйнштейннің бейнесін сындыратын гироскоп көрсетілген. Gravity Probe B эксперименті төрт Лондон моменті гироскопынан және Пегас шоқжұлдызындағы екі жұлдызды жүйе IM Pegasi-ге бағытталған анықтамалық телескоптан тұрды. Полярлық орбитада, гироскоптың айналу бағыты да IM Pegasi-ге бағытталғанда, кадрдың инерциялық сүйрелуі мен геодезиялық эффектілер тік бұрышта пайда болды, әр гироскоп екеуін де өлшеді. Гироскоптар суперфлюидтік гелийдегі деуарда орналастырылды, молекулалық кедергіні азайту үшін абсолюттік нөлге жуық температураны сақтау қажет болды, сондай-ақ гироскоп механизмдерінің қорғасын және ниобий компоненттерінің суперөткізгіш болуына жағдай жасалды. Өндірілген кезде гироскоптар бұрын-соңды жасалмаған ең сфералық нысандар еді (екі гироскоп әлі де бұл рекордты сақтап тұр, ал үшінші орынды Авогадро жобасы жасаған кремний шарлары алды). Олар пинг-понг доптарының шамамен мөлшерінде, қырық атомға дейін (10-нан кем) толық дөңгелек болды. Егер осы шарлардың біреуін Жердің мөлшеріне дейін үлкейтілсе, ең биік таулар мен ең терең мұхит ойысының биіктігі тек шамалы болар еді. Шарлар балқытылған кварцтан жасалып, өте жұқа ниобий қабатымен қапталған. Басты мәселе – олардың айналуына кез келген әсерді азайту болды, сондықтан гироскоптар оларды қамтитын бөлімге тигізбеуі керек еді. Олар электр өрістерімен тоқтап тұрды, гелий газы ағынымен айналдырылды және олардың айналу осі суперөткізгіш ниобий қабатының магниттік өрісін SQUID арқылы бақылап өлшенді. (Айналатын суперөткізгіш айналу осімен дәл үйлесетін магниттік өріс тудырады; Лондон моментіне қараңыз.) IM Pegasi көптеген себептерге байланысты бағыттау жұлдызы ретінде таңдалды. Біріншіден, оның анықтамалар үшін жеткілікті жарық болуы керек еді. Содан кейін ол идеалды жағдайларға, яғни аспанның шығыс теңдеуіне жақын болды. Сондай-ақ, оның аспандағы жақсы түсінілген қозғалысы маңызды болды, бұл осы жұлдыздың салыстырмалы күшті радиосигналдар шығаруымен көмектеседі. Бұл миссияны дайындау үшін астрономдар оның қозғалысын қажетті дәлдікпен түсіну үшін көп жылдар бойы алыс квазарларға қатысты радио негізіндегі позициялық өлшемдерді талдады.
Gravity Probe B (GP B) was a satellite based experiment to test two unverified predictions of general relativity: the geodetic effect and frame dragging. This was to be accomplished by measuring, very precisely, tiny changes in the direction of spin of four gyroscopes contained in an Earth orbiting satellite at of altitude, crossing directly over the poles. The satellite was launched on 20 April 2004 on a Delta II rocket. The spaceflight phase lasted until 2005; Its aim was to measure spacetime curvature near Earth, and thereby the stress–energy tensor (which is related to the distribution and the motion of matter in space) in and near Earth. This provided a test of general relativity, gravitomagnetism and related models. The principal investigator was Francis Everitt. Initial results confirmed the expected geodetic effect to an accuracy of about 1%. The expected frame dragging effect was similar in magnitude to the current noise level (the noise being dominated by initially unmodeled effects due to nonuniform coatings on the gyroscopes). Work continued to model and account for these sources of error, thus permitting extraction of the frame dragging signal. By August 2008, the frame dragging effect had been confirmed to within 15% of the expected result, and the December 2008 NASA report indicated that the geodetic effect was confirmed to be better than 0.5%. In an article published in the journal Physical Review Letters in 2011, the authors reported analysis of the data from all four gyroscopes results in a geodetic drift rate of −6601.8 and a frame dragging drift rate of −37.2, in good agreement with the general relativity predictions of −6606.1 and −39.2, respectively. whereas Gravity Probe B aimed to measure the frame dragging effect to a precision of 1%. However, Lorenzo Iorio claimed that the level of total uncertainty of the tests conducted with the two LAGEOS satellites has likely been greatly underestimated. A recent analysis of Mars Global Surveyor data has claimed to have confirmed the frame dragging effect to a precision of 0.5%, although the accuracy of this claim is disputed. Also the Lense–Thirring effect of the Sun has been recently investigated in view of a possible detection with the inner planets in the near future. The launch was planned for 19 April 2004 at Vandenberg Air Force Base but was scrubbed within 5 minutes of the scheduled launch window due to changing winds in the upper atmosphere. An unusual feature of the mission is that it only had a one second launch window due to the precise orbit required by the experiment. On 20 April, at 9:57:23 AM PDT (16:57:23 UTC) the spacecraft was launched successfully. The satellite was placed in orbit at 11:12:33 AM (18:12:33 UTC) after a cruise period over the south pole and a short second burn. The mission lasted 16 months. Some preliminary results were presented at a special session during the American Physical Society meeting in April 2007. NASA initially requested a proposal for extending the GP B data analysis phase through December 2007. The data analysis phase was further extended to September 2008 using funding from Richard Fairbank, Stanford and NASA, and beyond that point using non NASA funding only. The gyroscopes differ from a perfect sphere by no more than 40 atoms of thickness. One is pictured here refracting the image of Albert Einstein in background.]] The Gravity Probe B experiment comprised four London moment gyroscopes and a reference telescope sighted on IM Pegasi, a binary star in the constellation Pegasus. In polar orbit, with the gyro spin directions also pointing toward IM Pegasi, the frame dragging and geodetic effects came out at right angles, each gyroscope measuring both. The gyroscopes were housed in a dewar of superfluid helium, maintaining a temperature of under Near absolute zero temperatures were required to minimize molecular interference, and enable the lead and niobium components of the gyroscope mechanisms to become superconductive. At the time of their manufacture, the gyroscopes were the most nearly spherical objects ever made (two gyroscopes still hold that record, but third place has been taken by the silicon spheres made by the Avogadro project). Approximately the size of ping pong balls, they were perfectly round to within forty atoms (less than 10). If one of these spheres were scaled to the size of the Earth, the tallest mountains and deepest ocean trench would measure only high. The spheres were made of fused quartz and coated with an extremely thin layer of niobium. A primary concern was minimizing any influence on their spin, so the gyroscopes could never touch their containing compartment. They were held suspended with electric fields, spun up using a flow of helium gas, and their spin axes were sensed by monitoring the magnetic field of the superconductive niobium layer with SQUIDs. (A spinning superconductor generates a magnetic field precisely aligned with the rotation axis; see London moment.) IM Pegasi was chosen as the guide star for multiple reasons. First, it needed to be bright enough to be usable for sightings. Then it was close to the ideal positions near the celestial equator. Also important was its well understood motion in the sky, which was helped by the fact that this star emits relatively strong radio signals. In preparation for the setup of this mission, astronomers analyzed the radio based position measurements with respect to far distant quasars taken over several years to understand its motion as precisely as needed.
Тарих
Бұл миссияның тұжырымдамалық дизайнын алғаш рет 1959 жылы АҚШ Қорғаныс министрлігімен жұмыс істейтін MIT профессоры Джордж Пью ұсынды, ал кейіннен 1960 жылы Леонард Шифф (Стэнфорд) Пьюдің ұсынысы бойынша, Шифтің 1957 жылы жазған кадрды итеруді анықтау туралы теориялық мақаласына сүйене отырып, оны талқылады. Бұл жоба 1961 жылы NASA-ға ұсынылып, 1964 жылы қаржылық қолдау алды. Спутникке қажетті негізгі талаптар мен құралдарды инженерлік зерттеудің ұзақ кезеңінен кейін 1977 жылы бұл грант аяқталды. 1986 жылы NASA ғарыш кемесінің жоспарларын өзгерткендіктен, миссия тобы шаттлға негізделген ұшыру дизайнынан Delta 2-ге негізделгенге көшуге мәжбүр болды, ал 1995 жылы шаттл рейсінде прототипті сынау жоспарлары да тоқтатылды. "Гравитациялық Зонд Б" – NASA қаржыландырған ғарыш спутнигін әзірлеу және пайдалануды Стенфорд университетінің басқаруының алғашқы мысалы. Жобаның жалпы құны шамамен 750 миллион долларға бағаланды.
NASA шолуы
NASA тапсырған 15 сарапшыдан тұратын комиссияның сараптамасы деректерді талдау кезеңін 2008 жылдан асырып ұзартуға қарсы болды. Олар шу деңгейін қажетті деңгейге дейін төмендетудің (классикалық моменттерге және күн жарқындарынан деректерді жинаудағы үзілістерге байланысты) "осы тәжірибеде анықталған кез келген нәтиже ғылыми қауымдастықтағы маңызды (және біздің пікірімізше, негізді) күмәнділікті жеңуі керек" екенін ескертті.
НАСА-дан кейінгі деректерді талдау
НАСА-ның бағдарламаны қаржыландыруы мен демеушілігі 2008 жылдың 30 қыркүйегінде тоқтатылды, бірақ GP B Сауд Арабиясының Ғылым және технология қаласынан балама қаржыландыру алды. Нәтижелер Physical Review Letters журналында жарияланды. GP B-ден кейін кеңістік-уақыттың бұрылуын (frame dragging) одан әрі тәжірибелік түрде өлшеу мүмкіндіктері Europhysics Letters журналында талқыланды.