Gravitační sonda B

Gravity Probe B ( GP-B ) je americká vesmírná mise k měření extrémně slabých efektů geodetické precese gyroskopů na oběžné dráze Země a strhávání inerciálních referenčních soustav rotací Země, které předpovídá Einsteinova obecná teorie relativita . Vývoj dewarova , vědeckého přístrojového kontejneru a elektronického vybavení pro GP-B provedlo oddělení nových technologií firmy Lockheed Martin . Stanfordská univerzita si vybrala Lockheed Martin Missiles & Space , Sunnyvale, pro výrobu samotné kosmické lodi .

Družice byla vypuštěna 20. dubna 2004, sběr dat začal v srpnu 2004. Družice pracovala na oběžné dráze celkem 17 měsíců a svou misi dokončila 3. října 2005 . Zpracování získaných dat probíhalo do května 2011 a potvrdilo existenci a velikost vlivů geodetické precese a odporu inerciálních vztažných soustav, i když s přesností o něco menší, než se původně předpokládalo.

Předpovědi relativity

Družice Gravity Probe B nesla dosud nejpřesnější gyroskopy na světě. Přesnost měření polohy osy umožňuje detekovat dva efekty předpovídané obecnou teorií relativity:

• geodetická precese , vznikající ze zakřivení časoprostoru.
• precese v důsledku strhávání inerciálního souřadnicového systému v blízkosti rotujícího masivního tělesa ( Země ).

Geodetická precese nastává v důsledku zakřivení časoprostoru Zemí. Pokud v zakřiveném prostoru obklopíte vektor podél uzavřené kontury, nevrátí se do své původní polohy, ale změní směr o určitý úhel (viz paralelní překlad ). V tomto případě roli vektoru hraje rotace gyroskopu a dráha satelitu funguje jako uzavřená smyčka. Pro parametry GP-B by podle výpočtů měl být celkový úhel vychýlení 6,6 obloukových sekund za rok. Vychýlení rotace by mělo být pozorováno v rovině oběžné dráhy satelitu.

Precese druhého typu je o dva řády slabší a vzniká strháváním prostoru rotací Země. Pokud umístíte horizontálně rotující gyroskop na zemský pól, začne velmi pomalá precese ve směru rotace Země (proti směru hodinových ručiček na severním pólu ). Zajímavé je, že na rovníku by měl být pozorován opak: prostor blíže k Zemi je více tažen a precese by měla nastat v opačném směru, ve směru hodinových ručiček, při pohledu ze severního pólu. U GP-B by precese způsobená inerciálním odporem rámu měla být asi 0,014 obloukových sekund za rok.

Popis experimentu

Myšlenka experimentu je poměrně jednoduchá. Systém čtyř gyroskopů je pevně připojen k hlavnímu dalekohledu družice , dalekohled je namířen na vedoucí hvězdu a je udržován v přesně stanoveném směru po celou dobu letu. Nejprve se gyroskopy roztočí tak, aby se jejich osy shodovaly s osou hlavního dalekohledu. Mikroskopické vychýlení os lze poté měřit pomocí SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Takto měřené posunutí os gyroskopů bude způsobeno pouze očekávanými vlivy - geodetická precese a odpor inerciálního souřadnicového systému.

Družice se pohybuje na oběžné dráze bez unášení. To znamená, že oběžná dráha satelitu je neustále (s frekvencí 10x za sekundu) upravována podle pohybu těžiště jednoho z gyroskopů, který je stejně jako ostatní tři chráněny před všemi vnějšími vlivy (atmosféra , magnetické pole Země , tlak slunečního světla atd. .), kromě interakce s gravitačním polem. Satelitní souřadnice jsou zaznamenávány pomocí systému GPS . Gyroskopy rotují úhlovou rychlostí asi 4000 otáček za minutu. Jsou zavěšeny elektrostaticky ve vzdálenosti zlomků milimetru od stěn dutiny. Aby se zabránilo kontaktu gyroskopu se stěnami, je poloha dutiny vůči gyroskopu korigována 220krát za sekundu.

Rotory gyroskopů GP-B jsou vyrobeny tak dokonale, že možnost precese v důsledku mechanických vad nebo elektrických sil může být vyloučena. Zařízení je schopno zafixovat posunutí os až o 0,5 milisekundy úhlového oblouku za rok. Pro srovnání, tento úhel bude přibližně roven úhlu, pod kterým je lidský vlas viditelný ze vzdálenosti 32 km. Podle newtonovské mechaniky dokonalý sférický gyroskop za nepřítomnosti vnějších sil nezažívá precesi, to znamená, že pokud na začátku jeho osa směřovala k určité hvězdě, zůstane vždy v této poloze. V roce 1960 Dr. Leonard Schiff ze Stanfordské univerzity na základě Einsteinových rovnic a pohybových rovnic se spinem, odvozených Papapetrouem ( Papapetrou-Dixonovy rovnice ), vypočítal precesi os gyroskopy a navrhl provést experiment, buď v laboratoři na Zemi nebo ve vesmíru. Z jeho výpočtů vyplynulo, že účinek v laboratoři by byl o několik řádů menší, takže orbitální experiment byl vhodnější.

Charakteristika satelitu

• Hlavní přístroje - tělo gyroskopu, dalekohled a nosné konstrukce - jsou vyrobeny z křemenného skla . Křemen prakticky nepodléhá tepelné roztažnosti v širokém teplotním rozsahu – roztahuje se a smršťuje velmi málo a velmi rovnoměrně. Křemenné kusy byly vyrobeny společností Speedring Company z Cullmanu v Alabamě .
• Hlavní dalekohled má aperturu 14 cm a je namířen na dvojitou hvězdu IM Pegasus ( HR 8703 ).
• Technici Marshall Space Flight Center vytvořili dokonalé leštící zařízení, které jim umožnilo vyřezat ty nejkulovitější objekty, jaké kdy člověk vyrobil – rotory satelitních gyroskopů. Drsnost povrchu koulí je jen pár desítek atomových vrstev – pokud je zvětšíte na velikost Země, bude nejvyšší hora nebo nejhlubší proláklina vysoká jen 2,4 metru.
• Inženýři ve Stanfordu vyvinuli techniku ​​nanášení tenkého (jen několik nanometrů tlustého) supravodivého niobového filmu na povrch koule.
• Hlavní měřicí zařízení GP-B je umístěno v kryogenní nádrži doutníkového tvaru o délce 2,7 metru, obklopené vrstvou supravodivé olověné fólie pro ochranu před vnějšími magnetickými poli . Tento kontejner je zase spolu se supravodivým pláštěm umístěn v Dewarově nádobě , která v době startu obsahovala 2441 litrů kapalného helia . Pro udržení niobového filmu v supravodivém stavu je nutné udržovat kryogenní teplotu 1,8 K.
• Směr osy rotace gyroskopu je detekován z magnetického momentu ( London moment ), který rotující supravodič generuje. Detektory pole jsou kvantové interferometry ( SQUID ) s citlivostí, která umožňuje měřit magnetické pole o 10 řádů slabší než pole Země.
• Supratekuté helium v ​​Dewarově baňce satelitu slouží nejen k podpoře kryogenního média, ale také jako pracovní tekutina tryskových mikromotorů pro manévry při přesném zaměřování dalekohledu.
• Více než 400 elektrických drátů, stejně jako světlo hvězd, které vstupuje do kryogenního prostředí, zahřívá Dewarovu nádobu. Kvůli tomuto teplu se kapalné helium pomalu vaří. Specialisté ze Stanfordu proto vynalezli speciální „porézní zátku“, která odstraní vyvařené plynné helium z Dewarovy nádoby a ponechá pouze kapalné helium a udržuje požadovanou kryogenní teplotu.
• Plynné helium prochází několika vnějšími chladicími vrstvami Dewarovy nádoby a poté je vymrštěno do vesmíru jedním z osmi mikroprojektantů na palubě satelitu. Na základě dat z dalekohledu a polohy gyroskopů je vycházející helium pečlivě dávkováno tak, aby jeden ze čtyř gyroskopů zůstal přísně ve středu hmoty celého systému.

Historie letů

GP-B byl vypuštěn 20. dubna 2004 v 09:57:24 z letecké základny Vandenberg . Nosná raketa Delta-2 vynesla kosmickou loď na téměř kruhovou cirkumpolární dráhu s výškou ~642 km. Solární panely se rozmístily podle plánu, 66 minut po startu, a přesnost startu byla tak vysoká, že nebyla potřeba žádná další korekce oběžné dráhy.

První fáze mise, fáze inicializace a kalibrace, trvala čtyři měsíce. V tomto období byly všechny družicové přístroje a senzory inicializovány a připraveny k provozu, zkalibrovány a otestovány. U dvou mikromotorů byly určité problémy kvůli kontaminaci mikročásticemi, ale ty byly opraveny úpravou softwaru systému řízení polohy. Poté teleskop bez problémů provedl mikrokorekci orientace na referenční hvězdu IM Pegasus na každé dráze přelétající severní pól.

V srpnu 2005 vstoupil GP-B do vědecké fáze, která trvala 353 dní. Sběr dat byl prováděn z více než 9 000 senzorů a zaznamenán na speciální palubní záznamník, který obsahoval až 15 hodin nepřetržitého snímání stavu zařízení a dat ze senzorů. Kosmická loď si pravidelně vyměňovala informace s operačním řídícím střediskem na Stanfordské univerzitě prostřednictvím sítě telemetrických satelitů NASA a řady pozemních sledovacích stanic. Po roce intenzivního shromažďování informací byla provedena závěrečná fáze zkoušek palubního zařízení, která trvala 46 dní. Celkem bylo shromážděno asi terabajt informací. Zpracování dat pokračovalo až do roku 2011.

Výsledky

• 14. dubna 2007 přednesl Francis Everitt prezentaci [1] o průběžných výsledcích na setkání Americké fyzikální společnosti v Jacksonville na Floridě. V důsledku interakce elektrických nábojů „zamrzlých“ v gyroskopech a stěnách jejich komůrek (efekt náplasti) a dříve nezvažovaných efektů čtení, které ještě nebyly zcela vyloučeny ze získaných dat, byla přesnost měření v této fázi omezena na 0,1 obloukové sekundy . Výsledkem bylo, že se autorům zpočátku podařilo pouze potvrdit s přesností lepší než 1 % vliv geodetické precese ( 6606,1 obloukových milisekund (mas) za rok), ale nepodařilo se jim izolovat a ověřit fenomén tažení inerciální vztažné soustavy ( 39,2 ms za rok). Naměřený roční účinek rotace osy v orbitální rovině je −6638 ±97 mas , předpokládaný celkový roční účinek je −6571±1 mas 7 mas , vlastní pohyb referenční hvězdy +28 mas ).
• Po intenzivní práci na analýze a extrakci šumu měření byly konečné výsledky mise oznámeny na tiskové konferenci na NASA-TV dne 4. května 2011 a zveřejněny ve Physical Review Letters [2] . Naměřená hodnota geodetické precese byla −6601,8±18,3 ms /rok a účinek odporu −37,2±7,2 ms / rok (ve srovnání s výše uvedenými teoretickými hodnotami 6606,1 ms/rok a 39,2 ms/rok ).

Viz také

• Gravitomagnetismus
• Obecná teorie relativity
• Fascinace inerciálními vztažnými soustavami

Poznámky

1. ↑ Gravitační sonda B: Průběžná zpráva a první výsledky (odkaz není k dispozici) . Archivováno z originálu 9. června 2007. (neurčitý) 
2. ↑ CWF Everitt a kol . Gravitační sonda B: Konečné výsledky vesmírného experimentu k testování obecné teorie relativity , Physical Review Letters  (1. května 2011). Archivováno z originálu 6. května 2018. Staženo 6. května 2011.

Odkazy

• Gravitační sonda B: Země deformuje a kroutí prostor – zpráva z  internetového zdroje MEMBRANA ze 17. dubna 2007.
• Popis projektu Archivní kopie ze dne 13. února 2006 na Wayback Machine na ruském webu Terra Incognita Archivní kopie ze dne 2. ledna 2007 na Wayback Machine
• Web věnovaný Gravity Probe B Archivováno 22. ledna 2022 na Wayback Machine 
• Einsteinův warp efekt změřený Archivováno 7. srpna 2021 na Wayback Machine na webu BBC News  21. října 2004 .
• Mimořádné technologie GP-B archivovány 14. května 2011 na Wayback Machine // Stanford

Slovníky a encyklopedie	Skvělý norský Britannica (online)