Sonda de gravitate B

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Gravity Probe B cu panouri solare pliate

Gravity Probe B ( GP-B ) este o misiune realizată cu un satelit lansat pe 20 aprilie 2004. [1] Faza zborului spațial a durat până în 2005, [2] și se preconizează că analiza datelor va continua până în 2010. [3] ] Scopul său este de a măsura curbura spațiului-timp în apropierea Pământului și, în consecință, tensorul energetic al impulsului (legat de distribuția și mișcarea materiei în spațiu). Aceasta va oferi dovezi pentru relativitatea generală , gravitomagnetismul și modele conexe.

Rezultatele inițiale au confirmat efectele geodezice prezise cu o precizie de aproximativ 1%. Tragerea cadrelor prevăzută a fost similară ca mărime cu nivelul actual de zgomot ( zgomotul fiind dominat inițial de efecte nemodelate). Munca ar fi trebuit să continue până în martie 2010, pentru a modela și evalua aceste surse de semnale nespecificate, permițând astfel extrapolarea semnalului de tragere a cadrelor la nivelul așteptat. Până în august 2008, incertitudinea semnalului de tragere a cadrelor a fost redusă la 15% [4], iar în decembrie 2008 raportul NASA a indicat faptul că efectul geodezic a fost confirmat a fi mai bun de 0,5%. [5]

Prezentare generală

Gravity Probe B vizează un experiment finanțat de NASA cu giroscopul relativist. Lucrarea a fost dirijată de departamentul de fizică de la Universitatea Stanford, cu Lockheed Martin ca subcontractant principal. Oamenii de știință îl consideră al doilea experiment gravitațional în spațiu, după lansarea cu succes a sondei de gravitație A (GP-A) în 1976.

O reprezentare a efectului geodezic.

Unele rezultate preliminare au fost prezentate la o adunare specială în timpul ședinței Societății Americane de Fizică (14-17 aprilie 2007). NASA a solicitat inițial o propunere de extindere a 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 și, eventual, în martie 2010, când rezultatele științifice definitive asupra efectului de tragere a cadrelor . Planurile misiunii erau de a testa cele două predicții neconfirmate ale relativității generale: trasarea cadrelor și efectul geodezic .

Experimentul a presupus verificarea, cu o precizie extremă, a micilor schimbări în direcția de rotație a celor patru giroscopuri conținute într-un satelit care orbitează Pământul la o altitudine de 650 km , trecând direct peste poli. Giroscopii erau atât de liberi de perturbații încât ofereau un sistem de referință spațiu-timp aproape perfect. Aceste instrumente au fost concepute pentru a măsura modul în care spațiul și timpul sunt „curbate” de prezența Pământului și cât de mult din rotația Pământului „trage” spațiul-timp în jurul său. Acesta este așa-numitul fenomen de tragere a cadrelor, un exemplu de gravitomagnetism . Este analog 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 la 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%, [6] [7] [8] în cazul în care Gravity Probe B a urmărit să măsoare efectul cu o precizie de 1%. Cu toate acestea, analiza ulterioară a arătat că nivelul de incertitudine totală a testelor efectuate cu cei doi sateliți LAGEOS a fost probabil foarte subestimat. [9] [10] [11] [12] [13] [14] O analiză recentă a datelor de la Mars Global Surveyor a susținut că a confirmat efectul cu o precizie de 0,5%, [15] deși acuratețea acestui declarația este dezbătută. [16] [17] [18] De asemenea, efectul Lens-Thirring al Soarelui a fost investigat recent în vederea în viitorul apropiat a unei posibile detectări care va fi efectuată cu planetele interioare. [19] [20]

Sonda a detectat și așa - numitul efect geodezic , un efect mult mai mare datorită „curburii” spațiului-timp cauzată de masa Pământului. O axă giroscopică, atunci când este purtată paralel în jurul Pământului într-o singură rotație completă, nu va mai indica în cele din urmă aceeași direcție ca înainte. Unghiul „lipsă” poate fi considerat a fi cantitatea prin care giroscopul „se îndoaie” în funcție de înclinația curburii spațiului-timp. O explicație mai precisă pentru partea de curbură a spațiului în precesiune geodezică este obținută prin utilizarea unui con aproape plat pentru a modela curbura spațială a câmpului gravitațional al Pământului. Acest con este realizat prin îndepărtarea unei „ felii de plăcintă ” subțiri dintr-un cerc și lipirea marginilor între ele. Precesiunea geodezică spațială este măsura unghiului „feliei” lipsă. Sonda de gravitație B trebuie să măsoare acest efect cu o precizie de o parte la 10.000, cea mai riguroasă verificare făcută până în prezent cu predicții relativiste generale.

Lansarea a fost programată pentru 19 aprilie 2004 la baza forțelor aeriene Vandenberg, dar a fost anulată în 5 minute de la 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 ora 9:57:23 PDT (16:57:23 UTC ), nava a fost lansată cu succes și plasată pe orbită la ora 11:12:33 (18:12:33 UTC) după o perioadă deasupra sudului stâlp și o a doua aprindere scurtă. Misiunea a durat 16 luni.

Organizarea experimentală

La acea vreme, giroscopii de cuarț fuzionați creați pentru sonda de gravitație B erau sferele aproape perfecte create vreodată de om. [21] Giroscopurile diferă de sfera perfectă cu nu mai mult de 40 de atomi în grosime, refractând imaginea lui Einstein în fundal.

Experimentul Gravity Probe B a inclus patru giroscopuri și un telescop de referință îndreptat spre HR8703 (cunoscut și ca IM Pegasi ), o stea binară din constelația Pegasus . În orbita polară , cu direcțiile de rotire a giroscopului îndreptate spre HR8703, tragerea cadrelor și efectele geodezice rezultate în unghi drept au fost măsurate ambele de către fiecare giroscop.

Cele gyros sunt adăpostite într - un superfluid heliu Dewar , care menține o temperatură sub 2 grade Kelvin ( −271 degC , −456 degF ). Temperaturile care se apropie de zero absolut sunt necesare pentru a minimiza interferența moleculară și pentru a permite componentelor de plumb și niobiu ale mecanismelor giroscopului să devină supraconductoare .

La acea vreme, giroscoapele erau cele mai precise obiecte sferice realizate vreodată. La aproximativ dimensiunea bilelor de ping pong , acestea erau perfect rotunde, cu o marjă de precizie de aproximativ patruzeci de atomi (mai puțin de 10 nm). În comparație cu dimensiunea pământului, cei mai înalți munți ar avea 2,4 m înălțime. [22] Au fost compuse din cuarț topit și acoperite cu un strat extrem de subțire de niobiu . Principala preocupare a fost reducerea la minimum a oricărei influențe asupra rotației lor, astfel încât giroscopii să nu atingă niciodată compartimentul lor de izolare. Acestea sunt ținute suspendate de câmpuri electrice, rotite folosind un flux de heliu gazos, iar axele lor de rotație sunt detectate prin monitorizarea câmpului magnetic al stratului de niobiu supraconductor cu SQUID . (Un supraconductor care se rotește generează un câmp magnetic exact aliniat cu axa de rotație - vezi momentul Londrei .)

IM Pegasi a fost ales ca stea călăuzitoare din mai multe motive. În primul rând, trebuia să fie suficient de strălucitor pentru a fi folosit pentru observări. Apoi a fost aproape de pozițiile ideale la ecuatorul coordonatelor cerești . La fel de importantă a fost mișcarea sa pe cer, bine înțeleasă, facilitată și de faptul că această stea emite semnale radio relativ puternice. Pregătindu-se să îndeplinească această misiune, astronomii au analizat măsurătorile de poziție pe baza semnalelor radio provenite din quasarul foarte îndepărtat ținut sub control în ultimii ani pentru a înțelege mișcarea acestuia cu precizia maximă necesară.

Istorie

Ideea de proiectare pentru această misiune a fost propusă de un profesor MIT , George Pugh, care a lucrat la Departamentul Apărării al SUA în 1959 și a discutat ulterior de Leonard Schiff ( Stanford ) în 1960 la sugestia lui Pugh. A fost propusă NASA în 1961, care a finanțat proiectul în 1964. Această subvenție sa încheiat în 1977, după o lungă fază de cercetare inginerească privind cerințele de bază și instrumentele pentru satelit.

În 1986, NASA a schimbat planurile pentru navetă , forțând echipa misiunii să treacă de la un proiect de lansare a navei la unul cu Delta 2 , iar în 1995 testele planificate ale unui prototip pe un zbor de navetă au fost, de asemenea, anulate.

Gravity Probe B marchează prima dată în istorie când o universitate a reușit să câștige controlul și dezvoltarea operațiunilor unui satelit spațial finanțat de NASA.

Cronologia misiunii

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: cronologia misiunii Gravity Probe B.

Aceasta este o listă cu evenimentele majore pentru experimentul GP-B.

  • 20 aprilie 2004: lansarea GP-B de la Vandenberg AFB și inserarea cu succes pe orbita polară.
  • 27 august 2004: GP-B a intrat în faza sa științifică. Până în cea de-a 129-a zi a misiunii, toate sistemele erau configurate și pregătite pentru colectarea datelor, cu singura excepție a giroscopului 4, care necesita o aliniere suplimentară a axei de rotație.
  • 15 august 2005: se încheie faza științifică a misiunii și instrumentele de la bord trec la modul de calibrare finală.
  • 26 septembrie 2005: faza de calibrare se încheie cu heliu lichid încă în timpul războiului. Nava spațială revine astfel în modul științific, așteptând să se epuizeze ultimele provizii de heliu lichid.
  • Februarie 2006: prima fază a analizei complete a datelor
  • Septembrie 2006: echipa de analizoare a realizat că este necesar să se efectueze o analiză mai atentă a erorilor, în special în jurul mișcării „căii polare” ( polod ) a giroscopului, care ar fi necesitat o prelungire până în aprilie 2007, astfel îndemnând NASA pentru o extindere suplimentară a finanțării până la sfârșitul anului 2007.
  • Decembrie 2006: finalizarea celei de-a treia faze a analizei datelor
  • 14 aprilie 2007: anunțul celor mai bune rezultate obținute până în prezent. Francesco Everitt susține o conferință plenară, în timpul unei întâlniri a Societății Fizice Americane , anunțând primele sale rezultate: [23]

«Datele furnizate de giroscopii GP B confirmă în mod clar efectul geodezic prezis de Einstein cu o precizie mai bună de 1%. Cu toate acestea, efectul de tragere a cadrelor este de 170 de ori mai mic decât efectul geodezic, iar oamenii de știință din Stanford își extrag semnătura încă din datele sondei spațiale [24] "

Viitor

La 9 februarie 2007, s-a raportat că au fost primite o serie de semnale neașteptate care trebuiau separate înainte ca rezultatele finale să poată fi publicate. În aprilie, s-a anunțat că axele de rotație ale giroscopului au fost afectate de „ solicitare de răsucire(cuplu), într-o manieră care a variat în timp și care a necesitat analize suplimentare pentru a face posibilă corectarea rezultatelor invalidate din acest sursa de eroare. În consecință, data publicării finale a datelor a fost amânată din aprilie 2007 până în decembrie 2007 și ulterior în septembrie 2008 și, eventual, în martie 2010. În datele referitoare la rezultatele trasării cadrelor prezentate la ședința din aprilie 2007 ale „Societății fizice americane, erorile aleatorii au fost mult mai mari decât valoarea teoretică așteptată și au fost împrăștiate atât pe laturile pozitive, cât și pe cele negative ale unui rezultat nul, provocând apoi un puternic scepticism cu privire la orice date utile care ar fi putut fi extrase în viitor pentru verificați acest efect.

În iunie 2007, a fost lansată o actualizare detaliată pentru a explica cauza problemei și soluția care urma să fie adoptată. Deși corecțiile electrostatice ( plasturi ) cauzate de acoperirea neuniformă a sferelor au fost prevăzute și s-a gândit deja să o verifice înainte de experiment, acum se știe că ultimul strat al acoperirii sferice a determinat două jumătăți de potențial ușor diferit , conferind sferei o axă electrostatică. Acest lucru a creat cuplul dipol clasic pe fiecare rotor, similar ca dimensiune cu efectul de așteptare așteptat. Mai mult, a disipat energia din mișcarea „traseului polului” ( polod ) [25] prin inducerea curenților în carcasa electrodului, provocând modificarea mișcării în timp. Aceasta a însemnat că un model simplu de timp mediu polhode [25] a fost insuficient și ar fi necesară o orbită detaliată printr-un model orbital pentru a elimina efectul. Întrucât s-a prezis că „totul ar putea merge prost”, ultima parte a misiunii de zbor a fost calibrarea, unde, printre alte activități, au fost colectate date cu axa navei spațiale în mod deliberat nealiniată timp de 24 de ore, pentru a agrava orice problemă. Aceste date s-au dovedit neprețuite în identificarea efectelor. Cuplul electrostatic modelat în funcție de nealiniere axială și mișcarea polodului [25] modelat suficient de precis, s-a sperat izolarea cuplurilor relativiste pentru rezoluția prezisă la început.

Stanford a fost de acord să publice datele brute publicului la o dată viitoare nespecificată. Este probabil ca aceste date să fie revizuite de oameni de știință independenți și raportate independent publicului cu mult peste publicare în septembrie 2008. Deoarece interpretările viitoare ale datelor de către oamenii de știință din afara GP-B pot diferi de rezultatele oficiale, ar putea dura câțiva ani. pentru a cuprinde toate datele primite de sondă în ansamblu.

Recenzie la NASA

O analiză făcută de un grup de 15 experți comisionat de NASA a sfătuit să extindă faza de analiză a datelor dincolo de 2008. Aceștia avertizează că reducerea necesară a nivelului de zgomot (datorită momentelor clasice și a întreruperilor 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, mai mult decât justificat) în comunitatea științifică. " [26]

Analiza datelor după NASA

Finanțarea NASA și sponsorizarea programului s-au încheiat la 30 septembrie 2008, dar GP-B a obținut finanțare alternativă de la King Abdulaziz City of Science and Technology ( KACST ) din Arabia Saudită , ceea ce va permite grupului științific să continue să lucreze până cel puțin în decembrie 2009. La 29 august 2008, a avut loc a 18-a ședință a Comitetului consultativ științific extern (SAC) al GP-B la Stanford pentru a raporta progresele înregistrate. Următorul raport din partea SAC către NASA precizează:

«Progresul raportat la cea de-a 18-a ședință SAC a fost cu adevărat extraordinar și lăudăm echipa GP-B pentru un astfel de rezultat. Acesta a fost un efort eroic și a dus experimentul din ceea ce părea a fi asemănător unei stări de eșec potențial, într-o poziție în care SAC crede acum că se va obține dovada credibilă a relativității, chiar dacă acuratețea nu se potrivește. obiectiv original. În opinia președintelui SAC, această salvare justifică confruntarea cu misiunea de a corecta optica defectă a telescopului spațial Hubble, dar numai la o mică parte din cost. "

(Raportul celei de-a 18- a reuniuni a SAC către NASA)

Notă

  1. ^ (EN) Gravity Probe B: FAQ , pe einstein.stanford.edu. Adus 14.05.2009 .
  2. ^ (EN) Gravity Probe B: FAQ , pe einstein.stanford.edu. Adus 14.05.2009 .
  3. ^ (EN) Gravity Probe B: FAQ , pe einstein.stanford.edu. Adus 14.05.2009 .
  4. ^ (EN) G. Gugliotta, Perseverența se plătește pentru un test de relativitate în spațiu , din New York Times , 16 februarie 2009. Accesat la 18 februarie 2009.
  5. ^ (EN) Everitt, CWF, Parkinson, BW, Gravity Probe B Science Results-NASA Final Report (PDF) on einstein.stanford.edu, 2009. Accesat la 2 mai 2009.
  6. ^ ( EN ) I. Ciufolini, Lucchesi D.; Viespi F; Chieppa F., Detectarea lentilelor - Efect de agitare datorită rotirii Pământului , pe arxiv.org , 1997, arXiv : gr-qc / 9704065 . Adus la 18 mai 2010 .
  7. ^ (EN) Efectul de urzeală al lui Einstein măsurat pe news.bbc.co.uk, BBC News , 21 octombrie 2004. Accesat la 14 mai 2009.
  8. ^ (EN) M. Peplow, Spinning Earth răsucește spațiul , în Nature News , 2004 DOI : 10.1038 / news041018-11 .
  9. ^ (EN) L. Iorio, Despre fiabilitatea testelor efectuate până acum pentru măsurarea efectului Lense-Thirring cu sateliții LAGEOS , New Astronomy, vol. 10, 2005, pp. 603-615, DOI : 10.1016 / j.newast.2005.01.001 .
  10. ^ (EN) L. Iorio, O analiză critică a unui test recent al efectului Lense-Thirring cu sateliții LAGEOS , în Journal of Geodesy , vol. 80, 2006, pp. 123–136, DOI : 10.1007 / s00190-006-0058-4 .
  11. ^ ( EN ) L. Iorio, O evaluare a măsurării efectului Lense - Thirring în câmpul gravitațional al Pământului, ca răspuns la: "La măsurarea efectului Lense - Thirring folosind nodurile sateliților LAGEOS, ca răspuns la „Despre fiabilitatea testelor efectuate până acum pentru măsurarea efectului Lense - Thirring cu sateliții LAGEOS" de L. Iorio ", de I. Ciufolini și E. Pavlis , în Planetary and Space Science , vol. 55, 2007, p. 503, DOI : 10.1016 / j.pss.2006.08.001 .
  12. ^ (EN) L. Iorio, Evaluare conservatoare a incertitudinii în testul LAGEOS-LAGEOS II Lense-Thirring , în Central European Journal of Physics , 2009, DOI : 10.2478 / s11534-009-0060-6 .
  13. ^ (EN) L. Iorio, O evaluare a incertitudinii sistematice în testele prezente și viitoare ale efectului Lens-Thirring cu laserul prin satelit în domeniul științelor spațiale , 2009, DOI : 10.1007 / s11214-008-9478-1 .
  14. ^ (EN) L. Iorio, Încercări recente de măsurare a efectului general relativist de lentilă cu corpuri naturale și artificiale din sistemul solar, Proceedings of Science PoS (ISFTG), vol. 017, 2009, 0905.0300.
  15. ^ (EN) L. Iorio, O notă despre dovezile câmpului gravitomagnetic de pe Marte , în Classical and Quantum Gravity , vol. 23, 2006, p. 5451, DOI : 10.1088 / 0264-9381 / 23/17 / N01 .
  16. ^ (EN) K. Krogh, Comentariu la „Dovezi ale câmpului gravitomagnetic de pe Marte” , în Gravitatea clasică și cuantică , vol. 24, 2007, p. 5709, DOI : 10.1088 / 0264-9381 / 24/22 / N01 .
  17. ^ (EN) L. Iorio, Despre testele Lense-Thirring cu Mars Global Surveyor în câmpul gravitațional al Marte , în Central European Journal of Physics , 2009, DOI : 10.2478 / s11534-009-0117-6 .
  18. ^ (EN) L. Iorio, Încercări recente de măsurare a efectului general relativist de lentilă cu corpuri naturale și artificiale din sistemul solar, Proceedings of Science PoS (ISFTG), vol. 017, 2009, 0905.0300.
  19. ^ (EN) L. Iorio, Este posibil să se măsoare efectul Lens-Thirring asupra orbitelor planetelor din câmpul gravitațional al Soarelui? , în Astronomie și astrofizică , vol. 431, 2005, p. 385, DOI : 10.1051 / 0004-6361: 20041646 .
  20. ^ (EN) L. Iorio, Progresele în măsurarea efectului lentilelor cu mișcări planetare în câmpul Soarelui , în Scholarly Exchange Research , vol. 2008, 2008, p. 1, DOI : 10.3814 / 2008/105235 .
  21. ^ (EN) PL Barry, A Pocket of Near-Perfection on science.nasa.gov, Science @ NASA , 26 aprilie 2004. Accesat la 20 mai 2009 (depus de 'url original 23 februarie 2009).
  22. ^ (EN) W. Hardwood, Spacecraft Lansat pentru a testa teoriile lui Albert Einstein despre Spaceflight Now , 20 aprilie 2004. Accesat la 14 mai 2009.
  23. ^ (RO) Discuții interesante în plenul din aprilie - sâmbătă, 14 aprilie , pe aps.org. Adus la 16 noiembrie 2006 (arhivat din original la 20 februarie 2007) .
  24. ^ Gravity Probe B website ( EN ) B. Khan, Was Einstein Right ( PDF ), einstein.stanford.edu , Stanford News , 14 aprilie 2007. Accesat la 14 mai 2009 .
  25. ^ a b c Componentele unui corp rotativ pot impune restricții asupra mișcării vectorului său de viteză unghiulară , ω . Curba produsă de vectorul vitezei unghiulare pe elipsoidul de inerție este cunoscută sub numele de polhode (din greaca „cale a polului”)
  26. ^ (EN) J. Hecht, Gravity Probe B marchează „F” în recenziile NASA la New Scientist , 20 mai 2008. Accesat la 4 octombrie 2020 (depus de „ url original 2 iunie 2016).

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe