Testarea predicțiilor relativității generale cu sateliții LAGEOS (1)

Spațiu-timpul din jurul Pământului este un mediu bun pentru a efectua teste ale teoriilor gravitaționale. Conform vederii lui Einstein asupra fenomenelor gravitaționale, conținutul de energie în masă a Pământului curbează spațiul timpul înconjurător într-un mod ciudat. Acest mediu dinamic (relativ) silențios permite o bună reconstrucție a orbitelor sateliților geodezici (mase de încercare), cu condiția să fie disponibile date de urmărire de înaltă calitate. Acesta este cazul sateliților LAGEOS, construiți și lansați în principal pentru scopuri geodezice și geodinamice, dar la fel de bine pentru studiile fizicii fundamentale. O analiză a acestor studii este prezentată, concentrându-se pe date, modele și strategii de analiză. Sunt prezentate câteva rezultate recente și mai puțin recente. Toate acestea indică teoria relativității generale ca o descriere foarte bună a fenomenelor gravitaționale, cel puțin în mediul studiat.

Teoria generală a relativității de către Albert Einstein este cea mai precisă descriere a dinamicii gravitaționale pe care o avem la dispoziție. În ciuda determinării sale exacte a interacțiunii gravitaționale ca efect al spațiu-timpului curbat asupra dinamicii materiei și a altor domenii fundamentale, ea este contestată de mai multe idei teoretice, legate în principal de căutarea unei teorii cuantice a gravitației și de unificarea gravitației cu celelalte cunoscute interacțiuni fundamentale ale naturii. Aceste probleme sunt în cele din urmă legate de probleme asupra structurii mici a spațiului și de probleme în teoria singularităților. La nivel astrofizic și cosmologic, mai multe probleme nerezolvate pot implica o revizuire a cunoștințelor despre fenomenele gravitaționale. Toate aceste aspecte se reflectă și pe scara mai mică a Sistemului Solar, în special în mediul apropiat de Pământ, unde – datorită explorării spațiului și a tehnicilor experimentale din ce în ce mai avansate – pot fi concepute și implementate multe setări experimentale.

Dintre modalitățile de a testa dinamica gravitațională, una dintre cele mai simple este urmărirea mișcării unui obiect care orbitează în câmpul gravitațional produs de altul, mai mare (primar). Obiectul orbitei trebuie să fie cât mai aproape posibil de o masă punctuală, pentru a nu perturba în mod semnificativ câmpul gravitațional al obiectului primar; ar trebui să fie ceea ce se numește o masă de testare. O modelare adecvată (analitică sau numerică) a acestui sistem dă o predicție pentru orbita rezultată care poate fi comparată cu datele experimentale de urmărire. O astfel de schemă este destul de generală și ar putea fi aplicată la o varietate de situații experimentale. Autorul descrie o situație deosebită dată de disponibilitatea în jurul Pământului a obiectelor (sateliți) proiectate special pentru a fi cât mai aproape posibil de ideea ideală a unei mase de testare: sateliții LAGEOS [1]. Acestea, precum și altele similare, au fost proiectate, construite și lansate pentru scopuri geodezice și geodinamice. În 2012, satelitul LARES a fost lansat și plasat pe orbită în jurul Pământului. Datele de la acest nou satelit cu laser, împreună cu cele ale LAGEOS, sunt de așteptat să deschidă calea către testele mai exacte ale relativității generale.

LAGEOS sunt ținte pentru impulsurile laser trimise de la stațiile de la sol, folosite pentru a calcula distanța (intervalul) instantanee; precizia remarcabilă a acestei tehnici de urmărire, denumită „satellite laser range” (SLR), permite o determinare precisă a orbitelor lor. Acest lucru se poate face prin proceduri dedicate și o modelare fină a dinamicii lor. De-a lungul anilor, disponibilitatea pentru comunitatea științifică a datelor de la distanță a permis o varietate de studii. Multe dintre ele, după cum s-a spus mai sus, sunt legate de geodezie și geofizică. În același timp, însă, este posibil să se exploateze aceleași date pentru a efectua teste fizice fundamentale, prin compararea orbitei (măsurate și reconstruire) cu cele prezise de mai multe teorii gravitaționale concurente. Acest obiectiv foarte simplu necesită efectuarea unui număr de pași. Trebuie subliniat faptul că, în această căutare, trebuie să urmați mai bine modele de date mai bune. Acest lucru este valabil mai ales pentru că semnalele căutate sunt de obicei mai multe ordine de mărime sub semnalele „competitive”.

[1] S. C. Cohen, R. W. King, R. Kolenkiewicz, R. D. Rosen, and B. E. Schutz, “LAGEOS scientific results,” Journal of Geophysical Research, vol. 90, pp. 9215–9438, 1985.

Sursa: Roberto Peron: Testing General Relativistic Predictions with the LAGEOS Satellites, în ”Experimental Tests of Quantum Gravity and Exotic Quantum Field Theory Effects”, Advances in High Energy Physics, iunie 2014, DOI: 10.1155/2014/192712, Creative Commons Attribution License. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu