Experimentul Gravity Probe B, pentru efecte geodezice și tragerea cadrelor

(Gravity Probe B (NASA))

Gravity Probe B (GP-B) a fost un experiment bazat pe satelit pentru a testa două predicții neconfirmate ale relativității generale: efectul geodezic și tragerea cadrelor. Acest lucru trebuia realizat prin măsurarea, foarte precisă, a unor modificări minuscule în direcția de rotire a patru giroscoape conținute într-un satelit care orbitează Pământul la 650 km altitudine, trecând direct peste poli.

Satelitul a fost lansat pe 20 aprilie 2004 pe o rachetă Delta II. Faza zborurilor spațiale a durat până în 2005; scopul său a fost să măsoare curbura spațiu-timp lângă Pământ și, prin urmare, tensorul stres-energie (care este legat de distribuția și mișcarea materiei în spațiu) în și lângă Pământ. Aceasta a oferit un test al relativității generale, al gravitomagnetismului și al modelelor conexe. Investigatorul principal a fost Francis Everitt.

Rezultatele inițiale au confirmat efectul geodezic așteptat la o precizie de aproximativ 1%. Efectul așteptat de tragere a cadrelor a fost similar ca mărime cu nivelul de zgomot actual (zgomotul fiind dominat de efecte inițial nemodelate datorită acoperirilor neuniforme de pe giroscop). Munca a continuat pentru modelarea și luarea în considerare a acestor surse de eroare, permițând astfel extragerea semnalului de tragere a cadrelor. Până în august 2008, efectul de tragere a cadrelor fusese confirmat la 15% din rezultatul scontat, iar raportul NASA din decembrie 2008 indica faptul că efectul geodezic era confirmat cu mai bine de 0,5%.

Într-un articol publicat în revista Physical Review Letters în 2011, autorii au raportat că analiza datelor din toate cele patru giroscoape are ca rezultat o rată de drift geodezic de -6601,8 ± 18,3 mas/an și o rată de drift de tragere a cadrelor de -37,2 ± 7,2 mas/an, în acord cu previziunile relativității generale de -6606,1 ± 0,28% mas/an și, respectiv, -39,2 ± 0,19% mas/an.

Prezentare generală

(Gravity Probe B cu panouri solare pliate. (NASA))

Gravity Probe B a fost un experiment al relativității cu giroscop finanțat de NASA. Eforturile au fost conduse de departamentul de fizică al Universității Stanford, cu Lockheed Martin ca subcontractant principal. Oamenii de știință ai misiunii l-au considerat ca al doilea experiment al relativității în spațiu, după lansarea cu succes a Gravity Probe A (GP-A) în 1976.

Planurile misiunii au fost testarea a două predicții neconfirmate ale relativității generale: efectul geodezic și trasarea cadrelor. Acest lucru trebuia realizat prin măsurarea, foarte precisă, a unor modificări minuscule în direcția de rotație a patru giroscoape conținute într-un satelit terestru care orbitează la 650 km altitudine, trecând direct peste poli. Giroscoapele au fost concepute să fie atât de libere de perturbări încât să ofere un sistem de referință spațiu-timp aproape perfect. Acest lucru le-ar permite să dezvăluie modul în care spațiul și timpul sunt „deformate” de prezența Pământului (efectul geodezic) și de cât de mult „rotește” rotația Pământului spațiu-timpul în jurul său (tragerea cadrelor).

Efectul geodezic este un efect cauzat de spațiul-timp care este „curbat” de masa Pământului. Axa unui giroscop atunci când este transportată în paralel în jurul Pământului într-o revoluție completă nu ajunge să arate exact în aceeași direcție ca înainte. Unghiul „lipsă” poate fi considerat a fi cantitatea cu care giroscopul „se apleacă” în panta curburii spațiu-timpului. O explicație mai precisă pentru partea de curbură spațială a precesiei geodezice este obținută prin utilizarea unui con aproape plat pentru a modela curbura spațială a câmpului gravitațional al Pământului. Un astfel de con este realizat prin tăierea unei „felii de plăcintă” subțiri dintr-un cerc și lipirea marginilor tăiate împreună. Precesiunea geodezică spațială este o măsură a unghiului lipsă de „felie de plăcintă”. Gravity Probe B se aștepta să măsoare acest efect la o precizie de o parte din 10.000, cea mai strictă verificare a predicțiilor relativiste generale până în prezent.

Efectul mult mai mic de tragere a cadrelor este un exemplu de gravitomagnetism. Este un analog al magnetismului în electrodinamica clasică, dar cauzat de masele rotative mai degrabă decât de sarcinile electrice rotative. Anterior, doar două analize ale datelor de la laser obținute de cei doi sateliți LAGEOS, publicate în 1997 și 2004, susțineau că au găsit efectul de tragere a cadrelor cu o precizie de aproximativ 20% și respectiv 10%, în timp ce sonda Gravity B încerca să măsoare efectul de tregare a cadrelor la o precizie de 1%. Cu toate acestea, Lorenzo Iorio a susținut că nivelul de incertitudine totală a testelor efectuate cu cei doi sateliți LAGEOS a fost probabil subestimat foarte mult. O analiză recentă a datelor Mars Global Surveyor a susținut că a confirmat efectul de tragere a cadrelor la o precizie de 0,5%, deși acuratețea acestei afirmații este contestată. De asemenea, efectul Lense – Thirring al Soarelui de tragere a cadrelor a fost investigat recent în vederea unei posibile detectări cu planetele interioare în viitorul apropiat.

Lansarea a fost planificată pentru 19 aprilie 2004 la baza forțelor aeriene Vandenberg, dar a fost amânată cu 5 minute înainte de fereastra de lansare programată din cauza schimbării vânturilor din atmosfera superioară. O caracteristică neobișnuită a misiunii este că a avut o fereastră de lansare de doar o secundă, datorită orbitei precise cerute de experiment. Pe 20 aprilie, la 9:57:23 PDT (16:57:23 UTC), nava a fost lansată cu succes. Satelitul a fost plasat pe orbită la 11:12:33 AM (18:12:33 UTC) după o perioadă de croazieră peste polul sud și o scurtă ardere de o secundă. Misiunea a durat 16 luni.

Unele rezultate preliminare au fost prezentate la o sesiune specială în cadrul ședinței Societății Americane de Fizică din aprilie 2007. NASA a solicitat inițial o propunere pentru extinderea fazei de analiză a datelor GP-B până în decembrie 2007. Faza de analiză a datelor a fost extinsă în continuare până în septembrie 2008, folosind finanțare Richard Fairbank, Stanford și NASA și, dincolo de acest punct, folosind doar finanțări non-NASA. Rezultatele științifice finale au fost raportate în 2011.

Setare experimentală

(Gravity Probe B. (NASA))

Experimentul Gravity Probe B a inclus patru giroscoape bazate pe fenomenul ”London moment” și un telescop de referință direcționat către HR8703 (cunoscută și sub numele de IM Pegasi), o stea binară din constelația Pegasus. În orbita polară, cu direcțiile de rotire a giroscopului îndreptate spre HR8703, efectele de tragere a cadrelor și geodezice au rezultat în unghi drept, fiecare giroscop măsurând ambele.

Giroscoapele au fost adăpostite într-un vas dewar de heliu superfluid, menținând o temperatură sub 2 kelvini (-271 °C). Temperaturile aproape de zero absolut erau necesare pentru a minimiza interferențele moleculare și pentru a permite componentelor de plumb și niobiu ale mecanismelor giroscopului să devină supraconductive.

La momentul fabricării lor, giroscoapele erau cele mai aproape sferice obiecte realizate vreodată (două giroscoape păstrează încă acest record, dar locul al treilea a fost ocupat de sferele de siliciu realizate de proiectul Avogadro). Aproximativ de mărimea bilelor de ping pong, acestea erau perfect rotunde până la 40 de atomi (mai puțin de 10 nm). Dacă una dintre aceste sfere ar fi redusă la dimensiunea Pământului, cei mai înalți munți și cea mai adâncă depresiune oceanic ar măsura doar 2,4 m  înălțime. Sferele au fost realizate din cuarț topit și acoperite cu un strat extrem de subțire de niobiu. O preocupare principală a fost reducerea la minimum a oricărei influențe asupra rotirii lor, astfel încât giroscoapele să nu poată atinge niciodată compartimentul în care se găseau. Au fost ținute suspendate cu câmpuri electrice, rotite folosind un flux de heliu gazos, iar axele lor de rotație au fost detectate prin monitorizarea câmpului magnetic al stratului de niobiu supraconductor cu SQUID-uri. (Un supraconductor care se rotește generează un câmp magnetic precis aliniat cu axa de rotație, conform fenomenului ”London moment”).

IM Pegasi a fost aleasă ca stea de ghidare din mai multe motive. În primul rând, trebuia să fie suficient de strălucitoare pentru a fi utilizabilă pentru observări. Apoi a fost aproape de pozițiile ideale lângă ecuatorul ceresc. De asemenea, a fost importantă mișcarea ei bine înțeleasă pe cer, ajutată de faptul că această stea emite semnale radio relativ puternice. În pregătirea pentru configurarea acestei misiuni, astronomii au analizat măsurătorile de poziție bazate pe radio în ceea ce privește quasarii îndepărtați, luate de-a lungul mai multor ani, pentru a înțelege mișcarea acesteia suficient de precis.

Istorie

(O reprezentare a efectului geodezic.)

Proiectarea conceptuală a acestei misiuni a fost propusă mai întâi de un profesor MIT, George Pugh, care lucra cu Departamentul Apărării al SUA în 1959, și discutată ulterior de Leonard Schiff (Stanford) în 1960 la sugestia lui Pugh, bazat parțial pe o lucrare teoretică despre detectarea tragerii cadrelor pe care Schiff o scrisese în 1957. A fost propusă lui NASA în 1961 care a sprijinit proiectul cu fonduri în 1964. Această subvenție s-a încheiat în 1977, după o lungă fază de cercetare inginerească privind cerințele și instrumentele de bază pentru satelit.

În 1986, NASA a schimbat planurile pentru naveta spațială, care a forțat echipa misiunii să treacă de la un proiect de lansare bazat pe navetă la unul bazat pe Delta 2, iar în 1995 au fost anulate și testele planificate ale unui prototip pe un zbor de navetă. .

Gravity Probe B marchează pentru prima dată în istorie când o universitate controlează dezvoltarea și operațiunile unui satelit spațial finanțat de NASA.

Costul total al acestui proiect a fost de aproximativ 750 de milioane de dolari.

Analiza datelor

Stanford a fost de acord să publice datele brute publicului la o dată nespecificată în viitor. Este probabil ca aceste date să fie examinate de oameni de știință independenți și raportate independent publicului mult după finalizarea cercetărilor de către oamenii de știință din proiect. Deoarece interpretările viitoare ale datelor de către oamenii de știință din afara GP-B pot diferi de rezultatele oficiale, ar putea dura mai mulți ani pentru ca toate datele primite de GP-B să fie complet înțelese.

O revizuire efectuată de un grup de 15 experți comisionat de NASA a recomandat extinderea fazei de analiză a datelor dincolo de 2008. Aceștia au avertizat că reducerea necesară a nivelului de zgomot (datorită cuplurilor clasice și pauzelor în colectarea datelor din cauza erupțiilor solare) „este atât de mare încât orice efect detectat în cele din urmă de acest experiment va trebui să depășească scepticismul considerabil (și în opinia noastră, bine justificat) în comunitatea științifică „.

Analiza datelor după NASA

Finanțarea NASA și sponsorizarea programului s-au încheiat la 30 septembrie 2008, dar GP-B a obținut finanțare alternativă din partea Orașului pentru Știință și Tehnologie King Abdulaziz din Arabia Saudită, care a permis echipei științifice să continue să lucreze cel puțin până în decembrie 2009. La 29 august 2008, a 18-a ședință a Comitetului consultativ științific GP-B extern a avut loc la Stanford pentru a raporta progresele. Raportul următor al SAC către NASA precizează:

”Progresul raportat la SAC-18 a fost cu adevărat extraordinar și lăudăm echipa GP-B pentru această realizare. Acesta a fost un efort eroic și a adus experimentul din ceea ce părea a fi o stare de potențial eșec, într-o poziție în care SAC crede acum că vor obține un test credibil al relativității, chiar dacă acuratețea nu îndeplinește obiectivul inițial. În opinia președintelui SAC, aceste rezultate justifică compararea cu misiunea de a corecta optica defectuoasă a telescopului spațial Hubble, doar că aici la o fracțiune minusculă din cost.”
– Raportul SAC #18 către NASA

Grupul de analiză de la Stanford și NASA au anunțat la 4 mai 2011 că datele de la GP-B confirmă într-adevăr cele două previziuni ale teoriei generale a relativității a lui Albert Einstein. Constatările au fost publicate în revista Physical Review Letters. Perspectivele pentru măsurarea experimentală suplimentară a tragerii cadrelor după GP-B au fost comentate în revista Europhysics Letters.