Гравитационный зонд B: Проверка предсказаний общей теории относительности.

Введение

Орбитальная гравитационная обсерватория

Gravity Probe B (GP B) — спутниковый эксперимент, предназначенный для проверки двух непроверенных предсказаний общей теории относительности: геодезического эффекта и эффекта увлечения инерциальных систем отсчета. Это должно было быть достигнуто путем высокоточного измерения крошечных изменений в направлении вращения четырех гироскопов, размещенных на спутнике, вращающемся вокруг Земли на высоте, пересекающей полюса. Спутник был запущен 20 апреля 2004 года с помощью ракеты-носителя Delta II. Фаза космического полета продолжалась до 2005 года. Ее целью было измерение искривления пространства-времени вблизи Земли и, следовательно, тензора энергии-импульса (который связан с распределением и движением материи в пространстве) вблизи и вокруг Земли. 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 увлечения инерциальных систем отсчета был сопоставим по величине с текущим уровнем шума (шум обусловлен изначально несмоделированными эффектами из-за неоднородного покрытия гироскопов). Работа продолжалась над моделированием и учетом этих источников ошибок, что позволило выделить сигнал эффекта увлечения. К августу 2008 года эффект увлечения инерциальных систем отсчета был подтвержден в пределах 15% от ожидаемого значения, а в отчете NASA от декабря 2008 года указывалось, что геодезический эффект был подтвержден с точностью лучше 0,5%. В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters в 2011 году, авторы сообщили, что анализ данных со всех четырех гироскопов показал скорость геодезического дрейфа −6601,8 и скорость дрейфа эффекта увлечения −37,2, что хорошо согласуется с предсказаниями общей теории относительности −6606,1 и −39,2 соответственно. Gravity Probe B был направлен на измерение эффекта увлечения инерциальных систем отсчета с точностью 1%. Однако Лоренцо Иорио утверждал, что уровень общей неопределенности тестов, проведенных с двумя спутниками LAGEOS, вероятно, был сильно занижен. Недавний анализ данных Mars Global Surveyor заявил о подтверждении эффекта увлечения инерциальных систем отсчета с точностью 0,5%, хотя точность этого утверждения оспаривается. Также недавно был исследован эффект Лензе — Тирринга Солнца с точки зрения возможного обнаружения с помощью внутренних планет в ближайшем будущем. Запуск был запланирован на 19 апреля 2004 года на авиабазе Ванденберг, но был отменен за 5 минут до начала запланированного окна запуска из-за изменения ветров в верхних слоях атмосферы. Особенностью миссии было то, что у нее было всего односекундное окно запуска из-за требуемой для эксперимента точной орбиты. 20 апреля в 9:57:23 по тихоокеанскому времени (PDT) (16:57:23 UTC) космический аппарат был успешно запущен. Спутник был выведен на орбиту в 11:12:33 (18:12:33 UTC) после перелетного этапа над Южным полюсом и короткого второго включения двигателя. Миссия продолжалась 16 месяцев. Некоторые предварительные результаты были представлены на специальной сессии во время встречи Американского физического общества в апреле 2007 года. NASA первоначально запросила предложение о продлении фазы анализа данных GP B до декабря 2007 года. Фаза анализа данных была продлена до сентября 2008 года за счет финансирования Ричарда Фэрбанка, Стэнфордского университета и NASA, а затем — только за счет финансирования, не связанного с NASA. Гироскопы отличаются от идеальной сферы не более чем на 40 атомов по толщине. На фотографии один из них преломляет изображение Альберта Эйнштейна на заднем плане. Эксперимент Gravity Probe B включал четыре гироскопа с моментом Лондона и эталонный телескоп, нацеленный на IM Pegasi — двойную звезду в созвездии Пегаса. На полярной орбите, когда направления вращения гироскопов также указывали на IM Pegasi, эффекты увлечения и геодезические эффекты проявлялись под прямым углом, и каждый гироскоп измерял оба. Гироскопы были помещены в девар со сверхжидким гелием, поддерживая температуру ниже почти абсолютного нуля. Для минимизации молекулярных помех и обеспечения сверхпроводимости свинцовых и ниобиевых компонентов механизмов гироскопов требовались температуры, близкие к абсолютному нулю. На момент изготовления гироскопы были самыми близкими к сферической форме объектами, когда-либо созданными (два гироскопа до сих пор удерживают этот рекорд, но третье место заняли кремниевые сферы, созданные проектом Авогадро). Примерно размером с шарики для настольного тенниса, они были идеально круглыми в пределах сорока атомов (менее 10). Если бы один из этих шаров был масштабирован до размера Земли, самые высокие горы и самая глубокая океаническая впадина были бы всего лишь высотой. Шары были сделаны из кварцевого стекла и покрыты чрезвычайно тонким слоем ниобия. Основной проблемой было минимизировать любое влияние на их вращение, поэтому гироскопы никогда не касались своего корпуса. Они удерживались во взвешенном состоянии с помощью электрических полей, раскручивались потоком гелиевого газа, а их оси вращения определялись путем мониторинга магнитного поля сверхпроводящего слоя ниобия с помощью сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов). (Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения; см. момент Лондона.) IM Pegasi был выбран в качестве опорной звезды по нескольким причинам. Во-первых, она должна была быть достаточно яркой для использования при наведении. Затем она находилась близко к идеальному положению вблизи небесного экватора. Также важным было ее хорошо изученное движение по небу, чему способствовал тот факт, что эта звезда излучает относительно сильные радиосигналы. В подготовку к этой миссии астрономы проанализировали радиопозиционные измерения относительно далеких квазаров, полученные за несколько лет, чтобы точно определить ее движение.

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.

История

Концептуальный проект этой миссии был впервые предложен профессором Массачусетского технологического института Джорджем Пью, который работал с Министерством обороны США в 1959 году, а затем обсужден Леонардом Шиффом (Стэнфорд) в 1960 году по предложению Пью, частично основанном на теоретической работе об обнаружении эффекта увлечения пространства-времени, написанной Шиффом в 1957 году. Предложение было представлено в НАСА в 1961 году, и агентство поддержало проект финансированием в 1964 году. Этот грант завершился в 1977 году после длительного этапа инженерных исследований, посвященных основным требованиям и инструментам для спутника. В 1986 году НАСА изменило планы использования космического шаттла, что вынудило команду миссии перейти от проекта запуска с помощью шаттла к проекту, основанному на ракете Delta 2, а в 1995 году были отменены и запланированные испытания прототипа на борту шаттла. Gravity Probe B – первый случай, когда Стэнфордский университет осуществлял контроль над разработкой и эксплуатацией космического спутника, финансируемого НАСА. Общая стоимость проекта составила около 750 миллионов долларов.

Обзор НАСА

В отчете группы из 15 экспертов, сформированной по заказу НАСА, было рекомендовано не продлевать этап анализа данных после 2008 года. Эксперты предупредили, что необходимое снижение уровня шума (вызванного классическими моментами сил и разрывами в сборе данных из-за солнечных вспышек) "настолько велико, что любой эффект, который в конечном итоге будет обнаружен в ходе этого эксперимента, должен будет преодолеть значительный (и, по нашему мнению, вполне оправданный) скептицизм научного сообщества".

Анализ данных после НАСА

Финансирование и спонсорство программы NASA завершились 30 сентября 2008 года, но GP B получила альтернативное финансирование от Города короля Абдулазиза для науки и технологий в Саудовской Аравии. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters. Возможности дальнейшего экспериментального измерения эффекта увлечения пространства-времени после GP B были рассмотрены в журнале Europhysics Letters.