Sonda gravitațională B

Gravity Probe B ( GP-B ) este o misiune spațială americană pentru a măsura efectele extrem de slabe ale precesiei geodezice a giroscoapelor pe orbita Pământului și antrenarea cadrelor de referință inerțiale de rotația Pământului, care sunt prezise de teoria generală a lui Einstein. relativitatea . Dezvoltarea dewar , a containerului de instrumente științifice și a echipamentelor electronice pentru GP-B a fost realizată de departamentul de noi tehnologii al companiei Lockheed Martin . Universitatea Stanford a ales Lockheed Martin Missiles & Space , Sunnyvale, pentru a produce nava spațială în sine .

Satelitul a fost lansat pe 20 aprilie 2004, colectarea datelor a început în august 2004. Satelitul a funcționat pe orbită timp de un total de 17 luni și și-a încheiat misiunea pe 3 octombrie 2005 . Prelucrarea datelor obținute s-a efectuat până în mai 2011 și a confirmat existența și amploarea efectelor precesiei geodezice și a tragerii cadrelor de referință inerțiale, deși cu o acuratețe puțin mai mică decât se presupunea inițial.

Predicții de relativitate

Satelitul Gravity Probe B a transportat cele mai precise giroscoape din lume până în prezent. Precizia măsurătorilor poziției axei face posibilă detectarea a două efecte prezise de teoria generală a relativității:

• precesia geodezică , care decurge din curbura spațiu-timpului.
• precesia datorată antrenării sistemului de coordonate inerțiale în apropierea unui corp masiv în rotație ( Pământ ).

Precesia geodezică are loc datorită curburii spațiu-timp de către Pământ. Într-un spațiu curbat, dacă înconjurați un vector de-a lungul unui contur închis, acesta nu va reveni la poziția inițială, ci își va schimba direcția printr-un anumit unghi (vezi translația paralelă ). În acest caz, rolul vectorului este jucat de rotația giroscopului, iar orbita satelitului acționează ca o buclă închisă. Pentru parametrii GP-B, conform calculelor, unghiul total de deformare ar trebui să fie de 6,6 secunde de arc pe an. Deviația de rotație trebuie observată în planul orbitei satelitului.

Precesia celui de-al doilea tip este cu două ordine de mărime mai slabă și apare din cauza antrenării spațiului de către rotația Pământului. Dacă plasați un giroscop care se rotește orizontal la polul Pământului, acesta va începe o precesie foarte lentă în direcția de rotație a Pământului (în sens invers acelor de ceasornic la polul nord ). Interesant este că inversul trebuie observat la ecuator: spațiul mai aproape de Pământ este târât mai mult, iar precesia ar trebui să aibă loc în cealaltă direcție, în sensul acelor de ceasornic, când este privit de la polul nord. Pentru GP-B, precesiunea datorată rezistenței inerțiale a cadrului ar trebui să fie de aproximativ 0,014 secunde de arc pe an.

Descrierea experimentului

Ideea experimentului este destul de simplă. Un sistem de patru giroscoape este atașat rigid de telescopul principal al satelitului , telescopul este îndreptat spre steaua principală și menținut într-o direcție strict fixă ​​pe tot parcursul zborului. În primul rând, giroscoapele sunt rotite astfel încât axele lor să coincidă cu axa telescopului principal. Nealinierea microscopică a axelor poate fi apoi măsurată folosind SQUID (Dispozitiv de interferență cuantică supraconductivă). Deplasarea axelor giroscopului măsurate în acest fel se va datora doar efectelor scontate - precesia geodezică și tracțiunea sistemului de coordonate inerțiale.

Satelitul se mișcă pe o orbită fără derivă. Aceasta înseamnă că orbita satelitului este în mod constant (cu o frecvență de 10 ori pe secundă) fiind ajustată în funcție de mișcarea centrului de masă al unuia dintre giroscoape, care, ca și celelalte trei, este protejat de toate influențele externe (atmosfera). , câmpul magnetic al Pământului , presiunea luminii solare etc.), cu excepția interacțiunii cu câmpul gravitațional. Coordonatele satelitului sunt înregistrate folosind sistemul GPS . Giroscoapele se rotesc cu o viteză unghiulară de aproximativ 4000 de rotații pe minut. Ele sunt suspendate electrostatic la o distanță de fracțiuni de milimetru de pereții cavității. Pentru a evita contactul giroscopului cu pereții, poziția cavității față de giroscop este corectată de 220 de ori pe secundă.

Rotoarele giroscoapelor GP-B sunt atât de perfecte încât posibilitatea de precesiune din cauza defectelor mecanice sau a forțelor electrice poate fi exclusă din luare în considerare. Dispozitivul este capabil să fixeze deplasarea axelor până la 0,5 milisecunde de arc unghiular pe an. Pentru comparație, acest unghi va fi aproximativ egal cu unghiul la care părul uman este vizibil de la o distanță de 32 km. Potrivit mecanicii newtoniene, un giroscop sferic perfect în absența forțelor externe nu experimentează precesiune, adică dacă la început axa sa a fost îndreptată către o anumită stea, va rămâne întotdeauna în această poziție. În 1960, dr. Leonard Schiff de la Universitatea Stanford, pe baza ecuațiilor lui Einstein și a ecuațiilor de mișcare a unei particule cu spin, derivate de Papapetrou ( Papapetrou-Dixon equations ), a calculat precesia axelor lui giroscoape și a propus să efectueze un experiment, fie într-un laborator de pe Pământ, fie în spațiu. Din calculele sale a rezultat că efectul în laborator va fi cu câteva ordine de mărime mai mic, deci experimentul orbital era mai de preferat.

Caracteristicile satelitului

• Principalele instrumente - corpul giroscopului, telescopul și structurile de susținere - sunt realizate din sticlă de cuarț . Cuarțul practic nu este supus expansiunii termice într-un interval larg de temperatură - se extinde și se contractă foarte puțin și foarte uniform. Piesele de cuarț au fost realizate de compania Speedring din Cullman , Alabama .
• Telescopul principal are o deschidere de 14 cm și este îndreptat spre steaua dublă IM Pegasus ( HR 8703 ).
• Tehnicienii de la Marshall Space Flight Center au creat echipamentul perfect de lustruire care le-a permis să sculpteze cele mai sferice obiecte realizate vreodată de om - rotoarele giroscopului satelit. Rugozitatea suprafeței sferelor este de doar câteva zeci de straturi atomice - dacă le creșteți la dimensiunea Pământului, cel mai înalt munte sau cea mai adâncă depresiune va avea doar 2,4 metri înălțime.
• Inginerii de la Stanford au dezvoltat o tehnică de depunere a unei pelicule supraconductoare de niobiu subțire (de doar câțiva nanometri grosime) pe suprafața unei sfere.
• Echipamentul principal de măsurare al GP-B este plasat într-un rezervor criogenic de 2,7 metri în formă de trabuc, înconjurat de un strat de folie de plumb supraconductoare pentru a proteja împotriva câmpurilor magnetice externe . Acest container, la rândul său, împreună cu învelișul supraconductor, este plasat într- un vas Dewar , care la momentul lansării conținea 2441 de litri de heliu lichid . Pentru a menține filmul de niobiu în stare supraconductivă, este necesar să se mențină o temperatură criogenică de 1,8 K.
• Direcția axei de rotație a giroscopului este detectată din momentul magnetic ( momentul London ) pe care îl generează supraconductorul care se rotește. Detectoarele de câmp sunt interferometre cuantice ( SQUID ) cu o sensibilitate care face posibilă măsurarea câmpului magnetic cu 10 ordine de mărime mai slab decât câmpul Pământului.
• Heliul superfluid din balonul Dewar al satelitului servește nu numai pentru a susține mediul criogenic, ci și ca fluid de lucru al micromotoarelor cu reacție pentru manevrele în timpul țintirii precise a telescopului.
• Peste 400 de fire electrice, precum și lumina stelelor care intră în mediul criogenic, încălzesc vasul Dewar. Din cauza acestei călduri, heliul lichid fierbe încet. Prin urmare, specialiștii de la Stanford au inventat un „dop poros” special care îndepărtează heliul gazos fiert din vasul Dewar, lăsând doar heliu lichid și menținând temperatura criogenică necesară.
• Heliul gazos este trecut prin mai multe straturi exterioare de răcire ale vasului Dewar și apoi aruncat în spațiu de unul dintre cele opt micropropulsoare de la bordul satelitului. Pe baza datelor de la telescop și a poziției giroscoapelor, heliul care iese este dozat cu atenție, astfel încât să mențină unul dintre cele patru giroscoape strict în centrul de masă al întregului sistem.

Istoricul zborului

GP-B a fost lansat pe 20 aprilie 2004 la 09:57:24 de la Vandenberg Air Force Base . Vehiculul de lansare Delta-2 a lansat nava spațială pe o orbită circumpolară aproape circulară, cu o înălțime de ~642 km. Panourile solare s-au desfășurat conform programului, la 66 de minute după lansare, iar precizia lansării a fost atât de mare încât nu a mai fost necesară o corecție suplimentară a orbitei.

Prima fază a misiunii, faza de inițializare și calibrare, a durat patru luni. În această perioadă, toate instrumentele și senzorii sateliti au fost inițializați și pregătiți pentru funcționare, calibrați și testați. Au existat unele probleme cu două dintre micromotoare din cauza contaminării cu microparticule, dar au fost corectate făcând ajustări la software-ul sistemului de control al atitudinii. După aceea, telescopul a făcut o microcorecție a orientării față de steaua de referință IM Pegasus pe fiecare orbită, zburând peste polul nord, fără probleme.

În august 2005, GP-B a intrat în faza științifică, care a durat 353 de zile. Colectarea datelor a fost efectuată de la peste 9.000 de senzori și înregistrate pe un înregistrator special de bord, care conținea până la 15 ore de scanare continuă a stării echipamentului și a datelor de la senzori. Nava spațială a schimbat periodic informații cu centrul de control al operațiunilor de la Universitatea Stanford printr-o rețea de sateliți de telemetrie NASA și o serie de stații de urmărire la sol. După un an de strângere intensă de informații, a fost efectuată etapa finală a testelor echipamentelor de la bord, care a durat 46 de zile. În total, colectate aproximativ un terabyte de informații. Prelucrarea datelor a continuat până în 2011.

Rezultate

• Pe 14 aprilie 2007, Francis Everitt a susținut o prezentare [1] despre rezultatele intermediare la reuniunea Societății Americane de Fizică din Jacksonville, Florida. Datorită interacțiunii sarcinilor electrice „înghețate” în giroscoape și în pereții camerelor acestora (efectul de plasture) și nu au fost luate în considerare anterior efectelor de citire, neexcluse încă complet din datele obținute, precizia măsurării în această etapă a fost limitată la 0,1 secunde de arc . Drept urmare, autorii au reușit inițial să confirme doar cu o acuratețe mai bună de 1% efectul precesiei geodezice ( 6606,1 arc milisecunde (mas) pe an), dar nu au reușit să izoleze și să verifice fenomenul de tragere al cadrului de referință inerțial ( 39,2 mas pe an). Efectul anual măsurat al rotației axei în planul orbital este −6638 ±97 mas , efectul anual total prezis este −6571±1 mas 7 mas , iar mișcarea proprie a stelei de referință, +28 mas ).
• După o muncă intensă de analiză și extracție a zgomotului de măsurare, rezultatele finale ale misiunii au fost anunțate în cadrul unei conferințe de presă la NASA-TV din 4 mai 2011 și publicate în Physical Review Letters [2] . Valoarea măsurată a precesiei geodezice a fost de −6601,8±18,3 ms /an, iar efectul de tragere a fost de −37,2±7,2 ms / an (comparați cu valorile teoretice de mai sus de 6606,1 mas/an și 39,2mas/an ).

Vezi și

• Gravitomagnetism
• Teoria generală a relativității
• Fascinație pentru cadrele de referință inerțiale

Note

1. ↑ Gravity Probe B: Interim Report & First Results (link nu este disponibil) . Arhivat din original pe 9 iunie 2007. (nedefinit) 
2. ↑ CWF Everitt și colab . Gravity Probe B: Rezultatele finale ale unui experiment spațial pentru a testa relativitatea generală , Physical Review Letters  (1 mai 2011). Arhivat din original pe 6 mai 2018. Preluat la 6 mai 2011.

Link -uri

• Gravity Probe B: Pământul deformează și răsucește spațiul - un mesaj din resursa de  internet MEMBRANA din 17 aprilie 2007.
• Descrierea proiectului Copie de arhivă din 13 februarie 2006 la Wayback Machine de pe site-ul rusesc Terra Incognita Copie de arhivă din 2 ianuarie 2007 la Wayback Machine
• Site-ul dedicat Gravity Probe B Arhivat 22 ianuarie 2022 la Wayback Machine 
• Efectul warp al lui Einstein măsurat Arhivat la 7 august 2021 la Wayback Machine pe site-ul BBC News  21 octombrie 2004 .
• The Extraordinary Technologies of GP-B Arhivat 14 mai 2011 la Wayback Machine // Stanford

Dicționare și enciclopedii	Mare norvegian Britannica (online)