Gravity Probe B - Gravity Probe B

Gravity Probe B
Artistkonsept av Gravity Probe B.jpg
Oppdragstype Astrofysikk
Operatør NASA / Stanford University
COSPAR ID 2004-014A
SATCAT nr. 28230
Nettsted einstein .stanford .edu
Oppdragets varighet 17,5 måneder
Romfartøyegenskaper
Produsent Lockheed Martin
Start masse 3100 kg (6800 lb)
Dimensjoner 6,4 m × 2,6 m (21,0 fot × 8,5 fot)
Makt 606 W
romfartøy: 293 W
Nyttelast: 313 W
Start på oppdrag
Lanseringsdato 20. april 2004, 16:57:24  UTC ( 2004-04-20UTC16: 57: 24Z )
Rakett Delta II 7920-10C
Start nettstedet Vandenberg SLC-2W
Oppdragets slutt
Avhending Avviklet
Deaktivert 8. desember 2010 ( 2010-12-09 )
Orbitale parametere
Referansesystem Geosentrisk
Regime Lav jord
Semi-hovedakse 7.027,4 km (4.366,6 mi)
Eksentrisitet 0,0014
Perigee høyde 641 km (398 mi)
Apogee høyde 645 km (401 mi)
Tilbøyelighet 90.007º
Periode 97,65 minutter
Epoke UTC
 

Gravity Probe B ( GP-B ) var et satellittbasert eksperiment for å teste to ubekreftede spådommer om generell relativitet: den geodetiske effekten og rammedraging . Dette skulle oppnås ved å måle, veldig presist, små endringer i retningen for spinn av fire gyroskoper som er inneholdt i en jordbane satellitt i 650 km høyde, krysset direkte over polene.

Satellitten ble lansert 20. april 2004 på en Delta II- rakett. Romfartfasen varte til; Målet var å måle krumning i romtiden nær Jorden, og derved spenningsenergitensoren (som er relatert til fordelingen og bevegelsen av materie i rommet) i og nær Jorden. Dette ga en test av generell relativitet , gravitomagnetisme og relaterte modeller. Hovedetterforskeren var Francis Everitt .

De første resultatene bekreftet den forventede geodetiske effekten med en nøyaktighet på ca. 1%. Den forventede rammeslepende effekten var lik størrelsen på det nåværende støynivået (støyen domineres av opprinnelig umodellerte effekter på grunn av ujevn belegg på gyroskopene). Arbeidet fortsatte med å modellere og redegjøre for disse feilkildene, og muliggjøre utvinning av rammedragningssignalet. Av, var den rammedragende effekten bekreftet til innenfor 15% av forventet resultat, og NASA- rapporten indikerte at den geodetiske effekten ble bekreftet til bedre enn 0,5%.

I en artikkel publisert i tidsskriftet Physical Review Letters in, rapporterte forfatterne analyse av dataene fra alle fire gyroskopene resulterte i en geodetisk drivhastighet på −6 601, 8 ± 18,3  mas / år og en rammeslepende drivhastighet på−37,2 ± 7,2 mas / år , i god samsvar med de generelle relativitetsspådommene til−6 606 .1 ± 0,28% mas / år og−39,2 ± 0,19% mas / år , henholdsvis.

Oversikt

Gravity Probe B med brettet solcellepanel.

Gravity Probe B var en relativitets gyroskop eksperiment finansiert av NASA. Innsatsen ble ledet av Stanford University fysikkavdeling med Lockheed Martin som den primære underleverandøren. Misjonsforskere så på det som det andre relativitetseksperimentet i verdensrommet, etter den vellykkede lanseringen av Gravity Probe A (GP-A) i.

Misjonsplanene var å teste to ubekreftede spådommer om generell relativitet: den geodetiske effekten og rammedraging . Dette skulle oppnås ved å måle, veldig presist, små endringer i retningen for spinn av fire gyroskoper som finnes i en jordssatellitt som kretser i 650 km høyde, og krysser direkte over polene. Gyroskopene var ment å være så fri for forstyrrelser at de ville gi et nesten perfekt referansesystem for romtiden . Dette vil tillate dem å avsløre hvordan rom og tid "vrides" av jordens tilstedeværelse, og av hvor mye jordens rotasjon "drar" romtid rundt seg med den.

Den geodetiske effekten er en effekt forårsaket av at romtid er "buet" av jordens masse. Et gyroskops akse når det er parallelt transportert rundt jorden i en fullstendig revolusjon, ender ikke med å peke i nøyaktig samme retning som før. Vinkelen "mangler" kan betraktes som mengden gyroskopet "lener seg" inn i skråningen av romtidskrumningen. En mer presis forklaring på romkrumningsdelen av den geodetiske presesjonen oppnås ved å bruke en nesten flat kjegle for å modellere romkrumningen til jordens gravitasjonsfelt. En slik kjegle er laget ved å skjære ut en tynn "pie-skive" fra en sirkel og lim kuttekantene sammen. Den romlige geodetiske presesjonen er et mål på den manglende "pie-slice" -vinkelen. Gravity Probe B ble forventet å måle denne effekten med en nøyaktighet på en del av 10.000, den strengeste kontrollen av generelle relativistiske spådommer til dags dato.

Den mye mindre rammedragende effekten er et eksempel på gravitomagnetisme . Det er en analog av magnetisme i klassisk elektrodynamikk , men forårsaket av roterende masser i stedet for roterende elektriske ladninger. Tidligere ble det kun publisert to analyser av laserstrakte data innhentet av de to LAGEOS- satellittene og , hevdet å ha funnet rammeslepeffekten med en nøyaktighet på henholdsvis ca. 20% og 10%, mens Gravity Probe B hadde som mål å måle rammeslepeffekten til en presisjon på 1%. Imidlertid hevdet Lorenzo Iorio at nivået på total usikkerhet i testene som ble utført med de to LAGEOS-satellittene, sannsynligvis har blitt undervurdert sterkt. En nylig analyse av Mars Global Surveyor- data har hevdet å ha bekreftet rammeslepeffekten til en presisjon på 0,5%, selv om nøyaktigheten av dette kravet er omstridt. Også Lense – Thirring-effekten av solen er nylig undersøkt med tanke på en mulig deteksjon med de indre planetene i nær fremtid.

Lanseringen var planlagt på Vandenberg Air Force Base, men ble skrubbet innen 5 minutter etter det planlagte lanseringsvinduet på grunn av skiftende vind i den øvre atmosfæren. Et uvanlig trekk ved oppdraget er at det bare hadde et lanseringsvindu på ett sekund på grunn av den nøyaktige banen som eksperimentet krever. På PDT ( UTC ) romfartøyet ble lansert med hell. Satellitten ble plassert i bane kl AM (UTC) etter en cruiseperiode over sørpolen og en kort sekundbrenning. Oppdraget varte i 16 måneder.

Noen foreløpige resultater ble presentert på en spesiell økt under American Physical Society- møtet i. NASA ba om et forslag om å utvide GP-B dataanalysefasen gjennom. Dataanalysefasen ble videre utvidet tilved hjelp av finansiering fra Richard Fairbank , Stanford og NASA, og utover det punktet, bare ved hjelp av ikke-NASA-finansiering. Endelige vitenskapelige resultater ble rapportert i.

Eksperimentelt oppsett

På den tiden var de smeltede kvartsgyroskopene som ble opprettet for Gravity Probe B, de mest perfekte kulene som noen gang er skapt av mennesker. Gyroskopene skiller seg fra en perfekt sfære med ikke mer enn 40 atomer i tykkelse. En er avbildet her og bryter bildet av Albert Einstein i bakgrunnen.
Gravity Probe B Bekrefter eksistensen av Gravitomagnetism.jpg

The Gravity Probe B eksperiment omfattet fire London øyeblikk gyroskoper og et referanse teleskop observert på HR8703 (også kjent som IM Pegasi ), en binær stjerne i stjernebildet Pegasus . I polar bane , med gyrospinnretningene som også peker mot HR8703, kom rammeslepende og geodetiske effekter ut i rette vinkler, hver gyroskop måler begge deler.

Gyroskopene ble plassert i en dewar av superfluid helium , med en temperatur på under 2 kelvin (-271  ° C ; -456  ° F ). Nesten absolutt null temperaturer var nødvendig for å minimere molekylær interferens, og muliggjøre bly- og niobkomponentene i gyroskopmekanismene å bli superledende .

På det tidspunktet de ble produsert, var gyroskopene de nesten sfæriske gjenstandene som noen gang er laget (to gyroskoper har fortsatt den rekorden, men tredjeplassen er tatt av silisiumkulene laget av Avogadro-prosjektet ). Omtrent på størrelse med bordtennisballer var de perfekt runde til førti atomer (mindre enn10 nm ). Hvis en av disse kulene ble skalert til jordens størrelse, ville de høyeste fjellene og den dypeste havgraven bare måle 2,4 m (8 fot) høye. Kulene var laget av smeltet kvarts og belagt med et ekstremt tynt lag niob . En primær bekymring var å minimere enhver innflytelse på deres spinn, slik at gyroskopene aldri kunne berøre det inneholder rommet. De ble holdt suspendert med elektriske felt, spunnet opp ved hjelp av en strøm av heliumgass, og deres spinneakser ble registrert ved å overvåke magnetfeltet til det superledende nioblaget med SQUIDs . (En roterende superleder genererer et magnetfelt nøyaktig justert med rotasjonsaksen, se London-øyeblikk .)

IM Pegasi ble valgt som ledestjerne av flere grunner. Først måtte det være lyst nok til å være brukbart for observasjoner. Da var det nær de ideelle posisjonene nær himmelekvator . Også viktig var den godt forståte bevegelsen på himmelen, noe som ble hjulpet av det faktum at denne stjernen avgir relativt sterke radiosignaler . Som forberedelse til oppsettet av dette oppdraget analyserte astronomer de radiobaserte posisjonsmålingene med hensyn til langt fjerne kvasarer tatt over flere år for å forstå bevegelsen så nøyaktig som nødvendig.

Historie

En representasjon av den geodetiske effekten.

Den konseptuelle utformingen for dette oppdraget ble først foreslått av en MIT- professor, George Pugh, som jobbet med det amerikanske forsvarsdepartementet iog senere diskutert av Leonard Schiff ( Stanford ) i etter Pughs forslag, delvis basert på en teoretisk oppgave om å oppdage rammedrag som Schiff hadde skrevet i . Det ble foreslått for NASA i, og de støttet prosjektet med midler i . Dette tilskuddet endte medetter en lang fase med ingeniørforskning om grunnleggende krav og verktøy for satellitten.

I NASA endret planene for romfergen , som tvang oppdragsteamet til å bytte fra et transportbasert lanseringsdesign til et som var basert på Delta 2, og i tester som var planlagt av en prototype på en skyttelfly ble også kansellert.

Gravity Probe B markerer første gang i historien at et universitet har kontroll over utviklingen og driften av en romssatellitt finansiert av NASA.

De totale kostnadene for dette prosjektet var rundt $ 750 millioner.

Oppdragets tidslinje

Hovedartikkel: Gravity Probe B oppdrag tidslinje

Dette er en liste over store hendelser for GP-B-eksperimentet.

Lansering av GP-B fra Vandenberg AFB og vellykket innsetting i polar bane.
GP-B gikk inn i sin vitenskapelige fase. På misjonsdagen 129 ble alle systemene konfigurert til å være klare for datainnsamling, med det eneste unntaket som gyro 4, som trengte ytterligere justering av spinnaksen.
Den vitenskapelige fasen av oppdraget avsluttet, og romfartøyinstrumentene gikk over til den endelige kalibreringsmodusen.
Kalibreringsfasen ble avsluttet med flytende helium fremdeles i dewar. Romfartøyet ble returnert til vitenskapsmodus i påvente av uttømming av flytende helium.
Fase I av dataanalyse fullført
Analyseteamet innså at mer feilanalyse var nødvendig (spesielt rundt polhode-bevegelsen til gyroene ) enn det som kunne gjøres i tiden til og søkte NASA om utvidelse av finansieringen til slutten av .
Avslutning av fase III av dataanalyse
Kunngjøring av de hittil beste resultatene. Francis Everitt holdt et plenumstale på møtet i American Physical Society og kunngjorde de første resultatene: "Dataene fra GP-B-gyroskopene bekrefter tydelig Einsteins forutsagte geodetiske effekt med en presisjon på bedre enn 1 prosent. Imidlertid er rammedragende effekten 170 ganger mindre enn den geodetiske effekten, og Stanford-forskere henter fremdeles signaturen fra romfartøydataene. "
GP-B-romfartøyet ble tatt ut av drift, igjen i sin 642 km (399 mi) polare bane.
GP-B Endelige eksperimentelle resultater ble kunngjort. I en offentlig presse- og mediebegivenhet i NASAs hovedkvarter, GP-B Principal Investigator, presenterte Francis Everitt de endelige resultatene av Gravity Probe B.
Publisering av GP-B Special Volume (Volum nr. 32, utgave nr. 22) i fagfellevurdert tidsskrift, Klassisk og kvantemessig tyngdekraft .

På , ble det kunngjort at en rekke uventede signaler hadde blitt mottatt og at disse måtte skilles ut før de endelige resultatene kunne frigjøres. Idet ble kunngjort at gyroskopenes spinnakser ble påvirket av dreiemoment, på en måte som varierte over tid, og som krever ytterligere analyse for å la resultatene korrigeres for denne feilkilden. Følgelig ble datoen for den endelige utgivelsen av data presset tilbake flere ganger. I dataene for rammeslepende resultater presentert på møte med American Physical Society, var de tilfeldige feilene mye større enn den teoretiske forventede verdien og spredt på både de positive og negative sidene av et nullresultat, og forårsaket derfor skepsis til om det kunne hentes nyttige data i fremtiden for å teste dette effekt.

I , ble det gitt ut en detaljert oppdatering som forklarte årsaken til problemet og løsningen det ble jobbet med. Selv om elektrostatiske lapper forårsaket av ikke-ensartet belegg av kulene var forventet, og ble antatt å være kontrollert før eksperimentet, ble det senere funnet at det siste laget av belegget på kulene definerte to halvdeler med litt forskjellig kontaktpotensial , som ga sfæren en elektrostatisk akse. Dette skapte et klassisk dipolmoment på hver rotor, med en størrelse som tilsvarer den forventede ramme-draeffekten. I tillegg spredte den energi fra polhode-bevegelsen ved å indusere strømmer i huselektrodene , noe som førte til at bevegelsen endret seg med tiden. Dette betydde at en enkel tidsgjennomsnittlig polhode-modell var utilstrekkelig, og en detaljert bane etter bane-modell var nødvendig for å fjerne effekten. Ettersom det var forventet at "alt kunne gå galt", var den siste delen av flyoppdraget kalibrering, hvor blant annet data ble samlet inn med romfartøyaksen bevisst feiljustert for, for å forverre eventuelle problemer. Disse dataene viste seg å være uvurderlige for å identifisere effektene. Med det elektrostatiske dreiemomentet modellert som en funksjon av aksenes feiljustering, og polhode-bevegelsen modellert på et tilstrekkelig fint nivå, håpet man å isolere relativitetsmomentene til den opprinnelig forventede oppløsningen.

Stanford sa ja til å frigjøre rådataene til publikum på en uspesifisert dato i fremtiden. Det er sannsynlig at disse dataene vil bli undersøkt av uavhengige forskere og uavhengig rapportert til publikum godt etter den endelige utgivelsen av prosjektforskerne. Fordi fremtidige tolkninger av dataene fra forskere utenfor GP-B kan avvike fra de offisielle resultatene, kan det ta flere år før alle dataene som GP-B mottar er fullstendig forstått.

NASA gjennomgang

En gjennomgang av et panel på 15 eksperter bestilt av NASA anbefalte mot å utvide dataanalysefasen utover . De advarte om at den nødvendige reduksjonen i støynivå (på grunn av klassiske dreiemomenter og brudd i datainnsamlingen på grunn av solfakkel) "er så stor at enhver effekt som til slutt oppdages av dette eksperimentet, vil måtte overvinne betydelig (og etter vår mening godt begrunnet) skepsis i det vitenskapelige samfunnet ”.

Dataanalyse etter NASA

NASA-finansiering og sponsing av programmet ble avsluttet , men GP-B sikret alternativ finansiering fra King Abdulaziz City for Science and Technology i Saudi-Arabia som gjorde det mulig for vitenskapsteamet å fortsette å jobbe i det minste gjennom. På, ble det 18. møtet i den eksterne GP-B Science Advisory Committee avholdt i Stanford for å rapportere fremdriften. Den påfølgende SAC-rapporten til NASA sier:

Fremgangen som ble rapportert på SAC-18 var virkelig ekstraordinær, og vi ber GPB-teamet for denne prestasjonen. Dette har vært en heroisk innsats, og har ført eksperimentet fra det som virket som en tilstand av potensiell fiasko, til en posisjon der SAC nå tror at de vil oppnå en pålitelig relativitetstest, selv om nøyaktigheten ikke oppfyller det opprinnelige målet. . Etter SAC-stolens oppfatning garanterer denne redningen sammenligning med oppdraget for å korrigere den mangelfulle optikken til Hubble Space Telescope, bare her til en liten brøkdel av kostnaden.

-  SAC # 18 Rapport til NASA

Den Stanford-baserte analysegruppen og NASA kunngjorde den at dataene fra GP-B faktisk bekrefter de to spådommene i Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Resultatene ble publisert i tidsskriftet Physical Review Letters . Utsiktene for ytterligere eksperimentell måling av rammedrag etter GP-B ble kommentert i tidsskriftet Europhysics Letters .

Se også

Referanser

Eksterne linker