Sonda grawitacyjna B

Sonda grawitacyjna B
Artist concept of Gravity Probe B.jpg
Typ misji Astrofizyka
Operator NASA / Uniwersytet Stanforda
IDENTYFIKATOR COSPAR 2004-014A Edit this at Wikidata
SATCAT nr. 28230
Strona internetowa einstein .stanford .edu
Czas trwania misji 6 lat, 7 miesięcy i 17 dni
Właściwości statków kosmicznych
Producent Lockheed Martin
Uruchom masę 3100 kg (6800 funtów)
Wymiary 6,4 m × 2,6 m (21,0 stóp × 8,5 stopy)
Moc
606 W
Statek kosmiczny: 293 W Ładowność: 313 W
Początek misji
Data uruchomienia 20 kwietnia 2004, 16:57:24 ( 2004-04-20UTC16:57:24Z ) UTC
Rakieta DeltaII 7920-10C
Uruchom witrynę Vandenberg SLC-2W
Koniec misji
Sprzedaż Wycofany z eksploatacji
Dezaktywowany 8 grudnia 2010 ( 09.12.2010 )
Parametry orbity
Układ odniesienia Geocentryczny
Reżim Niska Ziemia
Półoś wielka 7027,4 km (4366,6 mil)
Ekscentryczność 0,0014
Wysokość perygeum 641 km (398 mil)
Wysokość apogeum 645 km (401 mil)
Nachylenie 90,007º
Okres 97,65 minuty
Epoka UTC
 

Gravity Probe B ( GP-B ) był eksperymentem satelitarnym mającym na celu przetestowanie dwóch niezweryfikowanych przewidywań ogólnej teorii względności: efektu geodezyjnego i przeciągania klatek . Miało to zostać osiągnięte poprzez bardzo precyzyjny pomiar niewielkich zmian kierunku wirowania czterech żyroskopów znajdujących się w satelicie krążącym wokół Ziemi na wysokości 650 km (400 mil), przecinających się bezpośrednio nad biegunami.

Satelita został wystrzelony 20 kwietnia 2004 roku na rakiecie Delta II . Faza lotów kosmicznych trwała do ; Jego celem było zmierzenie krzywizny czasoprzestrzeni w pobliżu Ziemi, a tym samym tensora energii naprężenia (który jest związany z rozkładem i ruchem materii w przestrzeni) na Ziemi iw jej pobliżu. Dało to test ogólnej teorii względności , grawitomagnetyzmu i powiązanych modeli. Głównym badaczem był Francis Everitt .

Wstępne wyniki potwierdziły oczekiwany efekt geodezyjny z dokładnością do około 1%. Oczekiwany efekt przeciągania klatek był podobny pod względem wielkości do obecnego poziomu szumów (szum był zdominowany przez początkowo niemodelowane efekty spowodowane niejednorodnymi powłokami na żyroskopach). Kontynuowano prace nad modelowaniem i uwzględnianiem tych źródeł błędów, co umożliwiło wyodrębnienie sygnału przeciągania klatek. Do . efekt przeciągania klatek został potwierdzony z dokładnością do 15% oczekiwanego wyniku, a raport NASA wskazywał, że efekt geodezyjny był lepszy niż 0,5%.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Physical Review Letters” w −6 601,8 ± 18,3 mas / rok 2011 . autorzy opisali analizę danych ze wszystkich czterech żyroskopów, w wyniku której uzyskano prędkość dryfu geodezyjnego na poziomie oraz prędkość dryfu z przeciąganiem klatek na poziomie − 37,2 ± 7,2 mas/rok , co jest zgodne z przewidywaniami ogólnej teorii względności wynoszącymi 0,19 -6 606,1 ± 0,28% mas./rok i -39,2 ± % mas./rok odpowiednio.

Przegląd

Gravity Probe B ze złożonymi panelami słonecznymi.

Gravity Probe B był eksperymentem z żyroskopem względności finansowanym przez NASA. Wysiłkami kierował wydział fizyki Uniwersytetu Stanforda, a głównym podwykonawcą był Lockheed Martin . Naukowcy z misji postrzegali to jako drugi eksperyment względności w kosmosie, po udanym wystrzeleniu sondy grawitacyjnej A (GP-A) w .

Plany misji zakładały przetestowanie dwóch niezweryfikowanych przewidywań ogólnej teorii względności: efektu geodezyjnego i przeciągania klatek . Miało to zostać osiągnięte poprzez bardzo precyzyjny pomiar niewielkich zmian kierunku wirowania czterech żyroskopów znajdujących się w satelicie Ziemi krążącym na orbicie na wysokości 650 km (400 mil), przecinających się bezpośrednio nad biegunami. Żyroskopy miały być tak wolne od zakłóceń, że zapewniałyby niemal idealną czasoprzestrzeń układ odniesienia. To pozwoliłoby im ujawnić, w jaki sposób przestrzeń i czas są „wypaczane” przez obecność Ziemi oraz w jakim stopniu obrót Ziemi „ciągnie” za sobą czasoprzestrzeń.

Efekt geodezyjny to efekt spowodowany „zakrzywieniem” czasoprzestrzeni przez masę Ziemi. Oś żyroskopu, gdy jest transportowana równolegle wokół Ziemi w jednym pełnym obrocie, nie wskazuje dokładnie tego samego kierunku, co poprzednio. Kąt „brakujący” można traktować jako wartość, o jaką żyroskop „przechyla się” w kierunku nachylenia krzywizny czasoprzestrzeni. Dokładniejsze wyjaśnienie części precesji geodezyjnej związanej z krzywizną przestrzenną uzyskuje się za pomocą prawie płaskiego stożka do modelowania krzywizny przestrzennej ziemskiego pola grawitacyjnego. Taki stożek powstaje poprzez wycięcie z koła cienkiego „plasterka” i sklejenie wyciętych brzegów. Przestrzenna precesja geodezyjna jest miarą brakującego kąta „wycinka ciasta”. Oczekiwano, że Gravity Probe B zmierzy ten efekt z dokładnością do jednej części na 10 000, co jest jak dotąd najbardziej rygorystycznym sprawdzianem ogólnych przewidywań relatywistycznych.

Znacznie mniejszy efekt przeciągania klatki jest przykładem grawitomagnetyzmu . Jest to odpowiednik magnetyzmu w klasycznej elektrodynamice , ale powodowany przez wirujące masy, a nie wirujące ładunki elektryczne. Wcześniej tylko dwie analizy z odległości laserowych uzyskanych przez dwa satelity LAGEOS , opublikowane w i , twierdził, że znalazł efekt przeciągania klatek z dokładnością odpowiednio około 20% i 10%, podczas gdy Gravity Probe B miał na celu zmierzenie efektu przeciągania klatek z dokładnością do 1%. Jednak Lorenzo Iorio stwierdził, że poziom całkowitej niepewności testów przeprowadzonych z dwoma satelitami LAGEOS został prawdopodobnie znacznie niedoszacowany. Niedawna analiza Mars Global Surveyor potwierdziła efekt przeciągania klatek z dokładnością do 0,5%, chociaż dokładność tego twierdzenia jest kwestionowana. Również efekt Lense-Thirring Słońca została ostatnio zbadana w celu wykrycia w niedalekiej przyszłości planet wewnętrznych.

Start zaplanowano na W Bazie Sił Powietrznych Vandenberg, ale został usunięty w ciągu 5 minut od zaplanowanego okna startowego z powodu zmieniających się wiatrów w górnych warstwach atmosfery. Niezwykłą cechą misji jest to, że miała tylko jednosekundowe okno startowe ze względu na precyzyjną orbitę wymaganą przez eksperyment. 20 PDT ( UTC ) sonda została pomyślnie wystrzelona. Satelita został umieszczony na orbicie o ( UTC) po okresie rejsu nad biegunem południowym i krótkim drugim spalaniu. Misja trwała 16 miesięcy.

Niektóre wstępne wyniki zostały zaprezentowane na specjalnej sesji podczas spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w . NASA początkowo poprosiła o propozycję przedłużenia fazy analizy danych GP-B do . Fazę analizy danych przedłużono do , korzystając z funduszy pochodzących od Richarda Fairbanka , Stanforda i NASA, a następnie korzystając wyłącznie z funduszy innych niż NASA. Ostateczne wyniki naukowe podano w .

Zestaw doświadczalny

W tamtym czasie żyroskopy ze stopionego kwarcu stworzone dla Gravity Probe B były najbardziej zbliżonymi do doskonałości sferami , jakie kiedykolwiek stworzył człowiek. Żyroskopy różnią się od idealnej kuli nie więcej niż 40 atomami grubości. Jeden z nich jest przedstawiony tutaj załamując obraz Alberta Einsteina w tle.
Gravity Probe B Confirms the Existence of Gravitomagnetism.jpg

Eksperyment Gravity Probe B składał się z czterech londyńskich żyroskopów momentowych i teleskopu referencyjnego wycelowanego w IM Pegasi , gwiazdę podwójną w gwiazdozbiorze Pegaza . Na orbicie polarnej , z kierunkami wirowania żyroskopu skierowanymi również w kierunku IM Pegasi, efekty przeciągania ramki i efekty geodezyjne wyszły pod kątem prostym, a każdy żyroskop mierzył oba.

Żyroskopy umieszczono w dewarze z nadciekłego helu , utrzymując temperaturę poniżej 2 kelwinów (-271 ° C ; -456 ° F ). Wymagane były temperatury bliskie zeru absolutnemu , aby zminimalizować interferencję molekularną i umożliwić nadprzewodnictwo elementom ołowiu i niobu mechanizmów żyroskopu .

W czasie ich produkcji żyroskopy były obiektami najbardziej zbliżonymi do kulistych, jakie kiedykolwiek stworzono (dwa żyroskopy nadal mają ten rekord, ale trzecie miejsce zajmują kule krzemowe wykonane w ramach projektu Avogadro ) . W przybliżeniu wielkości pingpongowych , były idealnie okrągłe z dokładnością do czterdziestu atomów (mniej niż 10 nm ). Gdyby jedną z tych kul przeskalować do rozmiarów Ziemi, najwyższe góry i najgłębszy rów oceaniczny miałyby tylko 2,4 m wysokości. Kule wykonano ze stopionego kwarcu i pokryto niezwykle cienką warstwą niobu . Głównym problemem było zminimalizowanie jakiegokolwiek wpływu na ich wirowanie, aby żyroskopy nigdy nie mogły dotknąć komory, w której się znajdują. Utrzymywano je w zawieszeniu za pomocą pól elektrycznych, wirowano za pomocą przepływu gazowego helu, a ich osie obrotu wykrywano poprzez monitorowanie pola magnetycznego nadprzewodzącej warstwy niobu za pomocą SQUID . (Obracający się nadprzewodnik generuje pole magnetyczne dokładnie wyrównane z osią obrotu; patrz moment londyński ).

IM Pegasi został wybrany jako gwiazda przewodnia z wielu powodów. Po pierwsze, musiał być wystarczająco jasny, aby nadawał się do obserwacji. Wtedy było blisko idealnych pozycji w pobliżu równika niebieskiego . Ważny był również dobrze rozumiany ruch na niebie, czemu sprzyjał fakt, że gwiazda ta emituje stosunkowo silne sygnały radiowe . Przygotowując się do przygotowania tej misji, astronomowie przeanalizowali radiowe pomiary pozycji w odniesieniu do odległych kwazarów, wykonane przez kilka lat, aby zrozumieć ich ruch tak dokładnie, jak to konieczne.

Historia

Reprezentacja efektu geodezyjnego.

Projekt koncepcyjny tej misji został po raz pierwszy zaproponowany przez profesora MIT , George'a Pugha, który pracował z Departamentem Obrony Stanów Zjednoczonych w , a następnie omówiony przez Leonarda Schiffa ( Stanford ) w za sugestią Pugha, częściowo w oparciu o artykuł teoretyczny o wykrywanie przeciągania ramek, które Schiff napisał w . Został on zaproponowany NASA w , a oni wsparli projekt finansowo w . Stypendium to zakończyło się w po długiej fazie badań inżynierskich nad podstawowymi wymaganiami i narzędziami dla satelity.

W NASA zmieniła plany dotyczące promu kosmicznego , co zmusiło zespół misji do przejścia z projektu startowego opartego na wahadłowcu na taki, który był oparty na Delcie 2, aw zaplanowane testy prototypu na locie wahadłowca również zostały odwołane .

Gravity Probe B to pierwszy raz, kiedy Uniwersytet Stanforda kontroluje rozwój i działanie satelity kosmicznego finansowanego przez NASA.

Całkowity koszt projektu wyniósł około 750 milionów dolarów.

Harmonogram misji

Główny artykuł: Harmonogram misji Gravity Probe B

To jest lista najważniejszych wydarzeń w eksperymencie GP-B.

Wystrzelenie GP-B z Vandenberg AFB i udane umieszczenie na orbicie polarnej.
GP-B wszedł w fazę naukową. W dniu misji 129 wszystkie systemy zostały skonfigurowane tak, aby były gotowe do zbierania danych, z wyjątkiem żyroskopu 4, który wymagał dalszego wyrównania osi obrotu.
Faza naukowa misji zakończyła się, a instrumenty statku kosmicznego przeszły w tryb ostatecznej kalibracji.
Faza kalibracji zakończyła się z ciekłym helem wciąż w dewarze. Statek kosmiczny powrócił do trybu naukowego do czasu wyczerpania się ciekłego helu.
Faza I analizy danych zakończona
Zespół analityczny zdał sobie sprawę, że konieczna jest większa analiza błędów (zwłaszcza wokół ruchu polhode'a żyroskopów), niż można było wykonać w czasie do i wystąpił do NASA o rozszerzenie finansowania dla koniec .
Zakończenie III fazy analizy danych
Ogłoszenie najlepszych dotychczas uzyskanych wyników. Francis Everitt wygłosił wykład plenarny na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego ogłaszając wstępne wyniki: „Dane z żyroskopów GP-B wyraźnie potwierdzają przewidywany przez Einsteina efekt geodezyjny z dokładnością lepszą niż 1 procent. Jednak efekt przeciągania klatek jest 170 razy mniejszy niż efekt geodezyjny, a naukowcy ze Stanford wciąż wydobywają jego podpis z danych statku kosmicznego”.
Statek kosmiczny GP-B wycofany z eksploatacji, pozostawiony na swojej orbicie polarnej o długości 642 km (399 mil).
Ogłoszono ostateczne wyniki eksperymentalne GP-B. W publicznej prasie i wydarzeniu medialnym w Kwaterze Głównej NASA, główny badacz GP-B, Francis Everitt, przedstawił ostateczne wyniki sondy Gravity Probe B.
Publikacja tomu specjalnego GP-B (tom #32, wydanie #22) w recenzowanym czasopiśmie Classical and Quantum Gravity .

W dniu . ogłoszono, że otrzymano szereg nieoczekiwanych sygnałów, które należy rozdzielić przed opublikowaniem ostatecznych wyników. W ogłoszono, że na osie obrotu żyroskopów wpływa moment obrotowy w sposób, który zmienia się w czasie, co wymaga dalszej analizy, aby umożliwić skorygowanie wyników pod kątem tego źródła błędu. W związku z tym termin ostatecznej publikacji danych był kilkakrotnie przesuwany. W danych dotyczących wyników przeciągania klatek przedstawionych w spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego, przypadkowe błędy były znacznie większe niż teoretyczna wartość oczekiwana i rozrzucone zarówno po dodatniej, jak i ujemnej stronie wyniku zerowego, co wywołało sceptycyzm co do tego, czy w przyszłości można będzie wyodrębnić jakiekolwiek przydatne dane, aby to przetestować efekt.

W wydano szczegółową aktualizację wyjaśniającą przyczynę problemu i rozwiązanie, nad którym pracowano. Chociaż przewidywano plamy elektrostatyczne spowodowane nierównomiernym pokryciem kulek i uważano, że były one kontrolowane przed eksperymentem, później stwierdzono, że ostatnia warstwa powłoki na kulkach definiuje dwie połówki o nieco innym potencjale kontaktowym , co nadało kuli oś elektrostatyczną. Stworzyło to klasyczny dipolowy moment obrotowy na każdym wirniku, o wielkości podobnej do oczekiwanego efektu przeciągania ramy. Ponadto rozprasza energię z ruch polhodowy poprzez indukowanie prądów w elektrodach obudowy, powodując zmianę ruchu w czasie. Oznaczało to, że prosty model polhode uśredniony w czasie był niewystarczający, a do usunięcia efektu potrzebny był szczegółowy model orbita po orbicie. Ponieważ przewidywano, że „wszystko może pójść nie tak”, ostatnią częścią misji lotniczej była kalibracja, podczas której między innymi zbierano dane z celowo niewspółosiową osią statku kosmicznego przez 24 , aby zaostrzyć potencjalne problemy. Dane te okazały się nieocenione przy określaniu skutków. Mając modelowany moment elektrostatyczny jako funkcję niewspółosiowości osi i modelowany ruch Polhode'a na wystarczająco dokładnym poziomie, spodziewano się wyizolowania momentów względności do pierwotnie oczekiwanej rozdzielczości.

Stanford zgodził się udostępnić surowe dane opinii publicznej w bliżej nieokreślonym terminie w przyszłości. Jest prawdopodobne, że dane te zostaną zbadane przez niezależnych naukowców i niezależnie przekazane opinii publicznej długo po ich ostatecznym opublikowaniu przez naukowców uczestniczących w projekcie. Ponieważ przyszłe interpretacje danych przez naukowców spoza GP-B mogą różnić się od oficjalnych wyników, pełne zrozumienie wszystkich danych otrzymanych przez GP-B może zająć jeszcze kilka lat. [ wymaga aktualizacji ]

Recenzja NASA

Przegląd przeprowadzony przez panel 15 ekspertów zleconych przez NASA odradzał przedłużanie fazy analizy danych poza . Ostrzegają, że wymagana redukcja poziomu hałasu (z powodu klasycznych momentów obrotowych i przerw w zbieraniu danych z powodu rozbłysków słonecznych) „jest tak duża, że ​​jakikolwiek efekt ostatecznie wykryty w tym eksperymencie będzie musiał pokonać znaczne (i naszym zdaniem dobrze uzasadnione) sceptycyzm w środowisku naukowym”.

Analiza danych po NASA

Finansowanie i sponsorowanie przez NASA programu zakończyło się ., ale firma GP-B zapewniła alternatywne finansowanie z Miasta Nauki i Technologii Króla Abdulaziza w Arabii Saudyjskiej, które umożliwiło zespołowi naukowemu kontynuowanie pracy co najmniej do . W dniu . w Stanford odbyło się 18. spotkanie Zewnętrznego Komitetu Doradczego ds. Nauki GP-B w celu przedstawienia postępów. Wynikający z tego raport SAC dla NASA stwierdza:

Postęp odnotowany w SAC-18 był naprawdę niezwykły i chwalimy zespół GPB za to osiągnięcie. Był to heroiczny wysiłek, który doprowadził eksperyment z tego, co wydawało się stanem potencjalnej porażki, do sytuacji, w której SAC wierzy, że uzyska wiarygodny test teorii względności, nawet jeśli dokładność nie spełni pierwotnego celu . Zdaniem Przewodniczącego NSA ratunek ten zasługuje na porównanie z misją naprawy wadliwej optyki Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, tylko tutaj za ułamek kosztów.

— Raport SAC nr 18 do NASA

Grupa analityczna z siedzibą w Stanford i NASA ogłosiły , Że dane z GP-B rzeczywiście potwierdzają dwa przewidywania ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters . Perspektywy dalszych eksperymentalnych pomiarów przeciągania ramki po GP-B zostały skomentowane w czasopiśmie Europhysics Letters .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Gravity_Probe_B&oldid=1141840247 ”