Tyngdkraftssond B

Gravity Probe B ( GP-B ) är ett amerikanskt rymduppdrag för att mäta de extremt svaga effekterna av den geodetiska precessionen av gyroskop i jordens omloppsbana och indragningen av tröghetsreferensramar genom jordens rotation, vilket förutsägs av Einsteins allmänna teori om relativitet . Utvecklingen av dewar , behållare för vetenskaplig instrumentering och elektronisk utrustning för GP-B utfördes av avdelningen för ny teknik i företaget Lockheed Martin . Stanford University valde Lockheed Martin Missiles & Space , Sunnyvale, för att tillverka själva rymdfarkosten .

Satelliten sköts upp den 20 april 2004, datainsamlingen började i augusti 2004. Satelliten arbetade i omloppsbana i totalt 17 månader och avslutade sitt uppdrag den 3 oktober 2005 . Bearbetning av de erhållna uppgifterna utfördes fram till maj 2011 och bekräftade förekomsten och omfattningen av effekterna av geodetisk precession och drag av tröghetsreferensramar, dock med en noggrannhet något mindre än vad som ursprungligen antogs.

Relativitetsförutsägelser

Gravity Probe B-satelliten bar de mest exakta gyroskopen i världen hittills. Noggrannheten i mätningarna av axelns position gör det möjligt att upptäcka två effekter som förutsägs av den allmänna relativitetsteorin:

• geodetisk precession , som härrör från rumtidens krökning.
• precession på grund av indragning av tröghetskoordinatsystemet nära en roterande massiv kropp ( jorden ).

Geodesisk precession uppstår på grund av jordens krökning av rum-tid . I ett krökt utrymme, om du omger en vektor längs en stängd kontur, kommer den inte att återgå till sin ursprungliga position, utan kommer att ändra riktning med någon vinkel (se parallellöversättning ). I det här fallet spelas vektorns roll av gyroskopets spinn , och satellitbanan fungerar som en sluten slinga. För GP-B-parametrarna, enligt beräkningar, bör den totala avböjningsvinkeln vara 6,6 bågsekunder per år. Spinnavböjning bör observeras i planet för satellitens omloppsbana.

Precessionen för den andra typen är två storleksordningar svagare och uppstår på grund av rymdens indragning av jordens rotation. Om du placerar ett horisontellt roterande gyroskop vid jordens pol, kommer det att börja en mycket långsam precession i jordens rotationsriktning (moturs vid nordpolen ). Intressant nog bör det omvända observeras vid ekvatorn: utrymmet närmare jorden dras mer, och precessionen bör ske i den andra riktningen, medurs, sett från nordpolen. För GP-B bör precession på grund av tröghetsbilddragning vara cirka 0,014 bågsekunder per år.

Beskrivning av experimentet

Idén med experimentet är ganska enkel. Ett system med fyra gyroskop är stelt fäst vid satellitens huvudteleskop , teleskopet riktas mot den ledande stjärnan och hålls i en strikt fixerad riktning under hela flygningen. Först snurras gyroskopen så att deras axlar sammanfaller med huvudteleskopets axel. Den mikroskopiska felinriktningen av axlarna kan sedan mätas med hjälp av SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Förskjutningen av gyroskopaxlarna mätt på detta sätt kommer endast att bero på de förväntade effekterna - geodetisk precession och drag av tröghetskoordinatsystemet.

Satelliten rör sig i en driftfri bana. Detta innebär att satellitens omloppsbana ständigt (med en frekvens på 10 gånger per sekund) justeras efter rörelsen av masscentrum för ett av gyroskopen, som liksom de andra tre är skyddat från alla yttre påverkan (atmosfären) , Jordens magnetfält , solljustryck, etc. .), förutom interaktionen med gravitationsfältet. Satellitkoordinater registreras med GPS- systemet . Gyroskop roterar med en vinkelhastighet på cirka 4000 varv per minut. De är upphängda elektrostatiskt på ett avstånd av bråkdelar av en millimeter från kavitetens väggar. För att undvika kontakt mellan gyroskopet och väggarna, korrigeras hålrummets position i förhållande till gyroskopet 220 gånger per sekund.

Rotorerna på GP-B gyroskop är gjorda så perfekta att möjligheten till precession på grund av mekaniska defekter eller elektriska krafter kan uteslutas från övervägande. Enheten kan fixera förskjutningen av axlarna upp till 0,5 millisekunders vinkelbåge per år. Som jämförelse kommer denna vinkel att vara ungefär lika med den vinkel vid vilken ett människohår är synligt från ett avstånd av 32 km. Enligt newtonsk mekanik upplever inte ett perfekt sfäriskt gyroskop i frånvaro av yttre krafter precession, det vill säga om dess axel i början var riktad mot en viss stjärna, kommer den alltid att förbli i denna position. 1960 beräknade Dr Leonard Schiff från Stanford University, på basis av Einsteins ekvationer och rörelseekvationerna för en partikel med spinn, härledd av Papapetrou ( Papapetrou-Dixon equations ), precessionen för axlarna för gyroskop och föreslog att genomföra ett experiment, antingen i ett laboratorium på jorden eller i rymden. Av hans beräkningar följde att effekten i laboratoriet skulle vara flera storleksordningar mindre, så orbitalexperimentet var mer att föredra.

Satellitegenskaper

• Huvudinstrumenten - gyroskopets kropp, teleskopet och de bärande strukturerna - är gjorda av kvartsglas . Kvarts är praktiskt taget inte föremål för termisk expansion över ett brett temperaturområde - den expanderar och drar ihop sig mycket lite och mycket jämnt. Kvartsbitarna tillverkades av Speedring Company i Cullman , Alabama .
• Huvudteleskopet har en öppning på 14 cm och är riktat mot dubbelstjärnan IM Pegasus ( HR 8703 ).
• Tekniker från Marshall Space Flight Center skapade den perfekta poleringsutrustningen som gjorde det möjligt för dem att skära de mest sfäriska föremål som någonsin gjorts av människan - satellitgyroskoprotorer. Sfärernas ytgrovhet är bara några dussin atomlager - om du ökar dem till jordens storlek blir det högsta berget eller djupaste fördjupningen bara 2,4 meter hög.
• Ingenjörer vid Stanford har utvecklat en teknik för att avsätta en tunn (endast några nanometer tjock) supraledande niobfilm på ytan av en sfär.
• Huvudmätutrustningen för GP-B är placerad i en cigarrformad 2,7-meters kryogentank, omgiven av ett lager supraledande blyfolie för att skydda mot externa magnetfält . Denna behållare, i sin tur, tillsammans med det supraledande skalet, placeras i ett Dewar-fartyg , som vid uppskjutningstillfället innehöll 2441 liter flytande helium . För att bibehålla niobfilmen i supraledande tillstånd är det nödvändigt att upprätthålla en kryogen temperatur på 1,8 K.
• Riktningen för gyroskopets rotationsaxel detekteras från det magnetiska moment ( London moment ) som den snurrande supraledaren genererar. Fältdetektorerna är kvantinterferometrar ( SQUIDs ) med en känslighet som gör det möjligt att mäta magnetfältet 10 storleksordningar svagare än jordens fält.
• Det superfluidiska heliumet i satellitens Dewar-kolv tjänar inte bara till att stödja det kryogena mediet, utan också som arbetsvätska för jetmikromotorer för manövrer under exakt inriktning av teleskopet.
• Mer än 400 elektriska ledningar, såväl som stjärnljus som kommer in i den kryogena miljön, värmer upp Dewar-kärlet. På grund av denna värme kokar flytande helium långsamt bort. Därför uppfann Stanford-specialister en speciell "porös plugg" som tar bort det avkokta gasformiga heliumet från Dewar-kärlet, vilket bara lämnar flytande helium och bibehåller den erforderliga kryogena temperaturen.
• Gasformigt helium passerar genom flera yttre kyllager av Dewar-fartyget och kastas sedan ut i rymden av en av de åtta mikropropellerna ombord på satelliten. Baserat på data från teleskopet och gyroskopens position doseras det utgående heliumet noggrant på ett sådant sätt att ett av de fyra gyroskopen håller sig strikt i centrum av hela systemet.

Flyghistorik

GP-B lanserades den 20 april 2004 kl. 09:57:24 från Vandenberg Air Force Base . Delta -2 bärraketen lanserade rymdfarkosten i en nästan cirkulär cirkumpolär bana med en höjd av ~642 km. Solpanelerna sattes in enligt schemat, 66 minuter efter uppskjutningen, och uppskjutningsnoggrannheten var så hög att ingen ytterligare omloppskorrigering krävdes.

Den första fasen av uppdraget, initialiserings- och kalibreringsfasen, varade i fyra månader. Under denna period initierades och förbereddes alla satellitinstrument och sensorer för drift, kalibrerades och testades. Det fanns vissa problem med två av mikromotorerna på grund av mikropartikelkontamination, men de korrigerades genom att göra justeringar av attitydkontrollsystemets programvara. Efter det gjorde teleskopet en mikrokorrigering av orienteringen till referensstjärnan IM Pegasus på varje bana, som flög över nordpolen, utan problem.

I augusti 2005 gick GP-B in i den vetenskapliga fasen, som varade i 353 dagar. Datainsamling genomfördes från mer än 9 000 sensorer och registrerades på en speciell inbyggd brännare, som innehöll upp till 15 timmars kontinuerlig skanning av utrustningens status och data från sensorer. Rymdfarkosten utbytte med jämna mellanrum information med operationskontrollcentret vid Stanford University genom ett nätverk av NASA-telemetrisatelliter och en serie markspårningsstationer. Efter ett år av intensiv informationsinsamling genomfördes det sista steget av tester av utrustning ombord, vilket tog 46 dagar. Totalt samlat in cirka en terabyte information. Databehandlingen fortsatte till 2011.

Resultat

• Den 14 april 2007 gav Francis Everitt en presentation [1] om interimsresultat vid mötet med American Physical Society i Jacksonville, Florida. På grund av växelverkan mellan elektriska laddningar "frusna" i gyroskopen och väggarna i deras kammare (lappeffekten), och som tidigare inte redovisats för avläsningseffekter, ännu inte helt uteslutna från de erhållna uppgifterna, var mätnoggrannheten i detta skede begränsad till 0,1 bågsekunder . Som ett resultat lyckades författarna till en början bara bekräfta med en noggrannhet bättre än 1 % effekten av geodetisk precession ( 6606,1 båge millisekunder (mas) per år), men misslyckades med att isolera och verifiera dragfenomenet i den tröga referensramen ( 39,2 mas per år). Den uppmätta årliga effekten av axelrotation i omloppsplanet är -6638 ±97 mas , den förutspådda totala årliga effekten är -6571±1 mas 7 mas , och referensstjärnans egen rörelse, +28 mas ).
• Efter intensivt arbete med analys och extraktion av mätbrus tillkännagavs de slutliga resultaten av uppdraget vid en presskonferens på NASA-TV den 4 maj 2011 och publicerades i Physical Review Letters [2] . Det uppmätta värdet för den geodetiska precessionen var −6601,8±18,3 ms /år, och drageffekten var −37,2±7,2 ms / år (jämför med ovanstående teoretiska värden på 6606,1 mas/år och 39,2mas/år ).

Se även

• Gravitomagnetism
• Allmän relativitetsteori
• Fascination av tröghetsreferensramar

Anteckningar

1. ↑ Gravity Probe B: Delårsrapport & första resultat (länk inte tillgänglig) . Arkiverad från originalet den 9 juni 2007. (obestämd) 
2. ↑ CWF Everitt et al . Gravity Probe B: Slutresultat av ett rymdexperiment för att testa allmän relativitet , Physical Review Letters  (1 maj 2011). Arkiverad från originalet den 6 maj 2018. Hämtad 6 maj 2011.

Länkar

• Gravity Probe B: Jorden förvränger och vrider rymden - ett meddelande från MEMBRANA  Internetresurs daterat den 17 april 2007.
• Beskrivning av projektet Arkivkopia daterad 13 februari 2006 på Wayback Machine på den ryska sajten Terra Incognita Arkivkopia daterad 2 januari 2007 på Wayback Machine
• Webbplats tillägnad Gravity Probe B Arkiverad 22 januari 2022 på Wayback Machine 
• Einsteins varpeffekt uppmätt Arkiverad 7 augusti 2021 på Wayback Machine på BBC News sajt  21 oktober 2004 .
• The Extraordinary Technologies of GP-B Arkiverad 14 maj 2011 på Wayback Machine // Stanford

Ordböcker och uppslagsverk	Stor norsk Britannica (online)