Gravitációs szonda B

A Gravity Probe B ( GP-B ) egy amerikai űrmisszió, amely a giroszkópok geodéziai precessziójának rendkívül gyenge hatásait méri a Föld körüli pályán és a Föld forgása által az inerciális referenciakereteket magával ragadja , amelyeket Einstein általános elmélete jósolt meg. relativitáselmélet . A GP-B dewar , tudományos műszerkonténer és elektronikus berendezések fejlesztését a Lockheed Martin cég új technológiák osztálya végezte . A Stanford Egyetem a Lockheed Martin Missiles & Space -t (Sunnyvale) választotta magának az űrszondának a gyártásához .

A műholdat 2004. április 20-án bocsátották fel , az adatgyűjtés 2004. augusztusában kezdődött. A műhold összesen 17 hónapig dolgozott a pályán és 2005. október 3-án fejezte be küldetését . A kapott adatok feldolgozása 2011 májusáig megtörtént, és megerősítette a geodéziai precesszió és az inerciális vonatkoztatási rendszerek ellenállásának hatásának fennállását és nagyságát, bár az eredetileg feltételezettnél valamivel kisebb pontossággal.

Relativitáselmélet előrejelzései

A Gravity Probe B műhold a világ eddigi legpontosabb giroszkópjait hordozta. A tengely helyzetének mérési pontossága két, az általános relativitáselmélet által megjósolt hatás kimutatását teszi lehetővé:

• geodéziai precesszió , amely a téridő görbületéből adódik.
• precesszió a tehetetlenségi koordináta-rendszer elragadása miatt egy forgó masszív test ( Föld ) közelében.

A geodéziai precesszió a téridő Föld általi görbülete miatt következik be . Görbült térben, ha egy vektort egy zárt körvonal mentén veszünk körül, az nem tér vissza eredeti helyzetébe, hanem valamilyen szögben irányt változtat (lásd a párhuzamos fordítást ). Ebben az esetben a vektor szerepét a giroszkóp forgása játssza, a műholdpálya pedig zárt hurokként működik. A GP-B paramétereknél a számítások szerint a teljes elhajlási szögnek évi 6,6 ívmásodpercnek kell lennie. A pörgés eltérítését a műhold pályájának síkjában kell megfigyelni.

A második típus precessziója két nagyságrenddel gyengébb, és a Föld forgása miatti teret magával ragadja . Ha vízszintesen forgó giroszkópot helyez a Föld pólusára, az nagyon lassú precesszióba kezd a Föld forgása irányában (az északi pólusnál az óramutató járásával ellentétes irányba ). Érdekes módon az egyenlítőnél ennek a fordítottját kell megfigyelni: a Földhöz közelebbi tér jobban elhúzódik, és az északi pólusról nézve a precesszió a másik irányba, az óramutató járásával megegyező irányban történjen. A GP-B esetében az inerciális keretellenállás miatti precessziónak körülbelül évi 0,014 ívmásodpercnek kell lennie.

A kísérlet leírása

A kísérlet ötlete meglehetősen egyszerű. A műhold fő teleszkópjához egy négy giroszkópból álló rendszer van mereven rögzítve , a teleszkóp a vezető csillag felé mutat, és a repülés során szigorúan rögzített irányban tartja. Először a giroszkópokat úgy pörgetik, hogy tengelyük egybeessen a fő távcső tengelyével. A tengelyek mikroszkopikus eltolódása ezután a SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) segítségével mérhető. A giroszkóp tengelyeinek így mért elmozdulása csak a várható hatásoknak - geodéziai precessziónak és az inerciális koordinátarendszer ellenállásának - köszönhető.

A műhold sodródásmentes pályán mozog. Ez azt jelenti, hogy a műhold pályáját folyamatosan (másodpercenként 10-szeres gyakorisággal) az egyik giroszkóp tömegközéppontjának mozgásához igazítják, amely a másik háromhoz hasonlóan védve van minden külső hatástól (légkörtől). , a Föld mágneses tere , a napfény nyomása stb.), kivéve a gravitációs térrel való kölcsönhatást. A műhold koordinátáit a GPS rendszer rögzíti . A giroszkópok körülbelül 4000 fordulat/perc szögsebességgel forognak . Elektrosztatikusan függesztve vannak az üreg falától egy milliméternyi távolságra. A giroszkóp falakkal való érintkezésének elkerülése érdekében az üreg helyzetét a giroszkóphoz képest másodpercenként 220-szor korrigálják.

A GP-B giroszkópok forgórészei olyan tökéletesek, hogy a mechanikai hibák vagy elektromos erők miatti precesszió lehetősége kizárható. A készülék évi 0,5 milliszekundum szögívig képes rögzíteni a tengelyek elmozdulását. Összehasonlításképpen ez a szög megközelítőleg megegyezik azzal a szöggel, amelynél az emberi haj 32 km távolságból látható. A newtoni mechanika szerint a tökéletes gömbgiroszkóp külső erők hiányában nem tapasztal precessziót, vagyis ha kezdetben a tengelye egy bizonyos csillagra irányult, akkor mindig ebben a helyzetben marad. 1960- ban Dr. Leonard Schiff, a Stanford Egyetem munkatársa a Papapetrou által levezetett Einstein -egyenletek és a spinnel rendelkező részecske mozgásegyenletei ( Papapetrou-Dixon egyenletek ) alapján kiszámította a tengelyek precesszióját. giroszkópokat, és azt javasolta, hogy végezzenek kísérletet akár egy földi laboratóriumban, akár az űrben. Számításaiból az következett, hogy a laboratóriumi hatás több nagyságrenddel kisebb lesz, így a pályakísérletet célszerűbb elvégezni.

Műhold jellemzői

• A fő műszerek - a giroszkóp teste, a teleszkóp és a tartószerkezetek - kvarcüvegből készülnek . A kvarc gyakorlatilag nincs kitéve a hőtágulásnak széles hőmérsékleti tartományban - nagyon kevéssé és nagyon egyenletesen tágul és húzódik össze. A kvarcdarabokat a Speedring Company of Cullman , Alabama készítette .
• A fő teleszkóp 14 cm -es rekesznyílással rendelkezik, és az IM Pegasus ( HR 8703 ) kettős csillagra mutat .
• A Marshall Űrrepülési Központ technikusai megalkották azt a tökéletes polírozó berendezést, amely lehetővé tette számukra, hogy a valaha készített leggömbölyűbb tárgyakat faragják – műhold giroszkóp rotorok. A gömbök felszíni érdessége mindössze néhány tucat atomréteg – ha a Föld méretére növeljük, a legmagasabb hegy vagy a legmélyebb mélyedés mindössze 2,4 méter magas lesz.
• A Stanford mérnökei kifejlesztettek egy technikát vékony (csak néhány nanométer vastag) szupravezető nióbiumfilm felvitelére egy gömb felületére.
• A GP-B fő mérőberendezése egy szivar alakú, 2,7 méteres kriogén tartályban van elhelyezve, amelyet szupravezető ólomfólia réteg vesz körül a külső mágneses mezők ellen . Ezt a tartályt pedig a szupravezető héjjal együtt egy Dewar edénybe helyezték , amely a kilövéskor 2441 liter folyékony héliumot tartalmazott . A nióbiumfilm szupravezető állapotban tartásához 1,8 K kriogén hőmérsékletet kell fenntartani.
• A giroszkóp forgástengelyének irányát a forgó szupravezető által generált mágneses nyomatékból ( London momentum ) érzékeljük. A térdetektorok kvantuminterferométerek ( SQUID ), amelyek érzékenysége lehetővé teszi a Föld mezőjénél 10 nagyságrenddel gyengébb mágneses tér mérését.
• A műhold Dewar-lombikájában található szuperfolyékony hélium nemcsak a kriogén közeg támogatását szolgálja, hanem a sugárhajtású mikromotorok munkafolyadékaként is szolgál a távcső precíz irányításakor.
• Több mint 400 elektromos vezeték, valamint a kriogén környezetbe jutó csillagfény melegíti a Dewar-edényt. A hő hatására a folyékony hélium lassan elpárolog. Ezért a Stanford szakemberei feltaláltak egy speciális „porózus dugót”, amely eltávolítja a kiforrt gáz halmazállapotú héliumot a Dewar-edényből, így csak folyékony hélium marad, és fenntartja a szükséges kriogén hőmérsékletet.
• A gáznemű héliumot a Dewar hajó több külső hűtőrétegén vezetik át, majd a műhold fedélzetén lévő nyolc mikrotoló egyike kilöki az űrbe. A teleszkóp adatai és a giroszkópok helyzete alapján a kimenő héliumot gondosan adagolják úgy, hogy a négy giroszkóp egyike szigorúan a teljes rendszer tömegközéppontjában maradjon.

Repülési előzmények

A GP-B-t 2004. április 20- án, 09:57:24 - kor bocsátották vízre a Vandenberg légibázisról . A Delta-2 hordozórakéta ~642 km magassággal majdnem kör alakú, körkörös pályára bocsátotta az űreszközt. A napelemek az ütemterv szerint, 66 perccel az indítás után helyezkedtek el, és az indítási pontosság olyan magas volt, hogy nem volt szükség további pályakorrekcióra.

A küldetés első szakasza, az inicializálási és kalibrálási szakasz négy hónapig tartott. Ebben az időszakban az összes műholdműszert és érzékelőt inicializálták és működésre előkészítették, kalibrálták és tesztelték. A mikromotorok közül kettőnél akadtak problémák a mikrorészecskék szennyeződése miatt, de ezeket a helyzetszabályozó rendszer szoftverének módosításával kijavították. Ezt követően a teleszkóp minden egyes pályán, az északi pólus felett átrepülő IM Pegasus referenciacsillaghoz viszonyított mikrokorrekciót hajtott végre, probléma nélkül.

2005 augusztusában a GP-B tudományos szakaszba lépett, amely 353 napig tartott. Az adatgyűjtés több mint 9000 érzékelőről történt, és egy speciális fedélzeti rögzítőn rögzítették, amely akár 15 órán át tartalmazta a berendezés állapotának és az érzékelőktől származó adatok folyamatos szkennelését. Az űrszonda rendszeresen információt cserélt a Stanford Egyetem hadműveleti irányító központjával a NASA telemetriai műholdak hálózatán és egy sor földi nyomkövető állomáson keresztül. Egy év intenzív információgyűjtés után megtörtént a fedélzeti berendezések tesztelésének utolsó szakasza, amely 46 napig tartott. Összesen körülbelül egy terabájtnyi információ gyűlt össze. Az adatkezelés 2011-ig folytatódott.

Eredmények

• 2007. április 14- én Francis Everitt előadást [1] tartott a közbenső eredményekről az American Physical Society ülésén a floridai Jacksonville-ben. A giroszkópokba és kamráik falába "befagyott" elektromos töltések kölcsönhatása (patch effektus), valamint a kapott adatokból még nem teljesen kizárt olvasási hatások miatt a mérési pontosság ebben a szakaszban a 0,1 ívmásodperc . Ennek eredményeként a szerzőknek kezdetben csak 1%-nál jobb pontossággal sikerült megerősíteniük a geodéziai precesszió hatását ( 6606,1 ívezredmásodperc (mas) évente), de nem sikerült elkülöníteni és ellenőrizni az inerciális vonatkoztatási rendszer vontatási jelenségét ( évi 39,2 mas ). A tengely forgásának mért éves hatása a pályasíkban –6638 ±97 mas , a becsült éves összhatás –6571±1 mas 7 mas , a referenciacsillag megfelelő mozgása pedig +28 mas ).
• A mérési zaj elemzésén és kinyerésén végzett intenzív munka után a NASA-TV sajtótájékoztatóján 2011. május 4-én jelentették be a küldetés végeredményét, amelyet a Physical Review Letters [2] publikált . A geodéziai precesszió mért értéke –6601,8±18,3 ms /év, a légellenállási hatás pedig –37,2±7,2 ms / év (hasonlítsa össze a fenti elméleti 6606,1 mas/év és 39 ,2 ms/év értékekkel ).

Lásd még

• Gravitomágnesesség
• Általános relativitáselmélet
• Lenyűgöző inerciális vonatkoztatási rendszerekkel

Jegyzetek

1. ↑ Gravity Probe B: Időközi jelentés és első eredmények (hivatkozás nem érhető el) . Archiválva az eredetiből 2007. június 9-én. (határozatlan) 
2. ↑ CWF Everitt et al . Gravity Probe B: Az általános relativitáselmélet vizsgálatára irányuló űrkísérlet végeredménye , Physical Review Letters  (2011. május 1.). Archiválva az eredetiből 2018. május 6-án. Letöltve: 2011. május 6.

Linkek

• Gravitációs szonda B: A Föld megvetemíti és megcsavarja az űrt – a MEMBRANA  internetes forrás 2007. április 17-i üzenete.
• A projekt leírása Archív példány 2006. február 13-án a Wayback Machine -nél az orosz Terra Incognita webhelyen. Archív példány 2007. január 2-án a Wayback Machine -nél
• A Gravity Probe B-nek szentelt webhely archiválva 2022. január 22-én a Wayback Machine -nél 
• Az Einstein-féle vetemedési hatás mérve Archiválva 2021. augusztus 7-én a Wayback Machine -nél a BBC News oldalán  2004. október 21-én .
• The Extraordinary Technologies of GP-B Archiválva : 2011. május 14., a Wayback Machine -nél // Stanford

Szótárak és enciklopédiák	Nagy norvég Britannica (online)