Painovoima-anturi B

Gravity Probe B ( GP-B ) on amerikkalainen avaruuslento, jonka tarkoituksena on mitata gyroskooppien geodeettisen precession äärimmäisen heikkoja vaikutuksia Maan kiertoradalla ja Maan pyörimisen aiheuttamia inertiavertailukehyksiä , jotka ennustetaan Einsteinin yleisen teorian mukaan. suhteellisuusteoria . Lockheed Martin -yhtiön uusien teknologioiden osasto kehitti GP-B :n dewarin , tieteellisten instrumentointisäiliöiden ja elektronisten laitteiden. Stanfordin yliopisto valitsi Lockheed Martin Missiles & Spacen , Sunnyvale, valmistamaan itse avaruusaluksen .

Satelliitti laukaistiin 20. huhtikuuta 2004, tiedonkeruu aloitettiin elokuussa 2004. Satelliitti työskenteli kiertoradalla yhteensä 17 kuukautta ja suoritti tehtävänsä 3. lokakuuta 2005 . Saatujen tietojen käsittely jatkui toukokuuhun 2011 asti ja vahvisti geodeettisen precession ja inertiavertailun vastuksen vaikutusten olemassaolon ja suuruuden, vaikkakin hieman alun perin oletettua pienemmällä tarkkuudella.

Suhteellisuusteoriaennusteet

Gravity Probe B -satelliitti kantoi tähän mennessä maailman tarkimmat gyroskoopit. Akselin sijainnin mittausten tarkkuus mahdollistaa kahden yleisen suhteellisuusteorian ennustaman vaikutuksen havaitsemisen:

• geodeettinen precessio , joka johtuu aika-avaruuden kaarevuudesta.
• Precessio, joka johtuu inertiakoordinaatiston kulkeutumisesta lähellä pyörivää massiivista kappaletta ( Maa ).

Geodeettinen precessio johtuu maapallon aika-avaruuden kaarevuudesta. Kaarevassa tilassa, jos ympäröit vektorin suljettua ääriviivaa pitkin, se ei palaa alkuperäiseen asentoonsa, vaan muuttaa suuntaa jonkin kulman verran (katso rinnakkaiskäännös ). Tässä tapauksessa vektorin roolia esittää gyroskoopin spin , ja satelliittikiertorata toimii suljettuna silmukana. GP-B-parametreille laskelmien mukaan kokonaispoikkeutuskulman tulisi olla 6,6 kaarisekuntia vuodessa. Spin-poikkeama tulee tarkkailla satelliitin kiertoradan tasossa.

Toisen tyypin precessio on kaksi suuruusluokkaa heikompi ja johtuu siitä, että avaruus kulkeutuu mukanaan Maan pyöriessä. Jos asetat vaakasuunnassa pyörivän gyroskoopin Maan napaan, se aloittaa hyvin hitaan precession Maan pyörimissuuntaan (vastapäivään pohjoisnavalla ). Mielenkiintoista on, että päiväntasaajalla tulisi havaita päinvastainen: Maata lähempänä olevaa avaruutta vedetään enemmän ja precession tulisi tapahtua toiseen suuntaan, myötäpäivään, pohjoisnavalta katsottuna. GP-B:n tapauksessa inertiakehyksen vastuksen aiheuttaman precession tulisi olla noin 0,014 kaarisekuntia vuodessa.

Kokeen kuvaus

Kokeen idea on varsin yksinkertainen. Neljän gyroskoopin järjestelmä on kiinnitetty jäykästi satelliitin pääteleskooppiin , teleskooppi on suunnattu johtavaan tähteen ja sitä pidetään tiukasti kiinteässä suunnassa koko lennon ajan. Ensin gyroskoopit kehrätään niin, että niiden akselit osuvat pääteleskoopin akseliin. Akseleiden mikroskooppinen poikkeama voidaan sitten mitata käyttämällä SQUID - laitetta (Superconducting Quantum Interference Device). Tällä tavalla mitattu gyroskoopin akselien siirtymä johtuu vain odotetuista vaikutuksista - geodeettisesta precessiosta ja inertiakoordinaattijärjestelmän vastusta.

Satelliitti liikkuu ajautumattomalla kiertoradalla. Tämä tarkoittaa, että satelliitin kiertorataa säädetään jatkuvasti (taajuudella 10 kertaa sekunnissa) yhden gyroskoopin massakeskuksen liikkeen mukaan, joka, kuten muutkin kolme, on suojattu kaikilta ulkoisilta vaikutuksilta (ilmakehä). , Maan magneettikenttä , auringonvalon paine jne. .), paitsi vuorovaikutus gravitaatiokentän kanssa. Satelliittikoordinaatit tallennetaan GPS - järjestelmän avulla . Gyroskoopit pyörivät kulmanopeudella noin 4000 kierrosta minuutissa. Ne ripustetaan sähköstaattisesti millimetrin osien etäisyydelle ontelon seinistä. Jotta gyroskoopin kosketus seiniin vältetään, onkalon asentoa gyroskooppiin nähden korjataan 220 kertaa sekunnissa.

GP-B-gyroskooppien roottorit on tehty niin täydellisiksi, että mekaanisten vikojen tai sähkövoimien aiheuttama precessio voidaan jättää huomiotta. Laite pystyy korjaamaan akselien siirtymän jopa 0,5 millisekuntia kulmakaaren verran vuodessa. Vertailun vuoksi tämä kulma on suunnilleen sama kuin kulma, jossa hius on näkyvissä 32 km:n etäisyydeltä. Newtonin mekaniikan mukaan täydellinen pallomainen gyroskooppi ulkoisten voimien puuttuessa ei koe precessiota, eli jos sen akseli oli alussa suunnattu tiettyyn tähteen, se pysyy aina tässä asennossa. Vuonna 1960 Stanfordin yliopiston tohtori Leonard Schiff laski Papapetroun johdamien Einsteinin yhtälöiden ja spinin omaavan hiukkasen liikeyhtälöiden perusteella ( Papapetrou-Dixon-yhtälöt ) akselien precession. gyroskoopit ja ehdotti kokeen suorittamista joko laboratoriossa maan päällä tai avaruudessa. Hänen laskelmistaan ​​seurasi, että vaikutus laboratoriossa olisi useita suuruusluokkia pienempi, joten kiertoratakoe oli parempi.

Satelliittiominaisuudet

• Pääinstrumentit - gyroskoopin runko, teleskooppi ja tukirakenteet - on valmistettu kvartsilasista . Kvartsi ei käytännössä ole alttiina lämpölaajenemiselle laajalla lämpötila-alueella - se laajenee ja supistuu hyvin vähän ja tasaisesti. Kvartsikappaleet on valmistanut Speedring Company of Cullman , Alabama .
• Pääteleskoopin aukko on 14 cm , ja se on suunnattu kaksoistähteen IM Pegasus ( HR 8703 ).
• Marshall Space Flight Centerin teknikot loivat täydellisen kiillotuslaitteiston, jonka avulla he pystyivät veistämään pallomaisimpia koskaan ihmisen tekemiä esineitä - satelliittigyroskoopin roottoreita. Pallojen pinnan karheus on vain muutama tusina atomikerrosta - jos ne suurennetaan Maan kokoisiksi, korkein vuori tai syvin syvennys on vain 2,4 metriä korkea.
• Stanfordin insinöörit ovat kehittäneet tekniikan ohuen (vain muutaman nanometrin paksuisen) suprajohtavan niobiumkalvon kerrostamiseksi pallon pinnalle.
• GP-B:n päämittauslaitteisto on sijoitettu sikarin muotoiseen 2,7 metrin kryogeeniseen säiliöön, jota ympäröi suprajohtava lyijykalvokerros suojaamaan ulkoisilta magneettikentiltä . Tämä säiliö puolestaan ​​sijoitetaan suprajohtavan kuoren kanssa Dewar-astiaan , joka sisälsi laukaisuhetkellä 2441 litraa nestemäistä heliumia . Niobikalvon pitämiseksi suprajohtavassa tilassa on välttämätöntä säilyttää 1,8 K:n kryogeeninen lämpötila.
• Gyroskoopin pyörimisakselin suunta havaitaan pyörivän suprajohteen synnyttämästä magneettimomentista ( London momentti ). Kenttäilmaisimet ovat kvanttiinterferometrejä ( SQUID ) , joiden herkkyys mahdollistaa magneettikentän mittaamisen 10 suuruusluokkaa maapalloa heikommin.
• Satelliitin Dewar-kolvissa oleva supernesteinen helium ei toimi vain kryogeenisen väliaineen tukena, vaan myös suihkumikromoottorien työnesteenä kaukoputken tarkan kohdistamisen aikana.
• Yli 400 sähköjohtoa sekä kryogeeniseen ympäristöön pääsevä tähtivalo lämmittävät Dewar-alusta. Tämän lämmön takia nestemäinen helium kiehuu hitaasti pois. Siksi Stanfordin asiantuntijat keksivät erityisen "huokoisen tulpan", joka poistaa kiehuneen kaasumaisen heliumin Dewar-astiasta jättäen vain nestemäisen heliumin ja ylläpitäen vaaditun kryogeenisen lämpötilan.
• Kaasumaista heliumia johdetaan useiden Dewar-aluksen ulompien jäähdytyskerrosten läpi ja yksi satelliitissa olevista kahdeksasta mikropotkurista heittää sen avaruuteen. Teleskoopin tietojen ja gyroskooppien sijainnin perusteella ulos tuleva helium annostellaan huolellisesti siten, että yksi neljästä gyroskoopista pysyy tiukasti koko järjestelmän massakeskipisteessä.

Lentohistoria

GP-B laukaistiin 20. huhtikuuta 2004 klo 9.57.24 Vandenbergin ilmavoimien tukikohdasta . Delta-2- kantoraketti laukaisi avaruusaluksen lähes pyöreälle ympyrämäiselle kiertoradalle, jonka korkeus oli ~642 km. Aurinkopaneelit otettiin käyttöön aikataulun mukaisesti, 66 minuuttia laukaisun jälkeen, ja laukaisutarkkuus oli niin korkea, että kiertoradan lisäkorjauksia ei tarvittu.

Tehtävän ensimmäinen vaihe, alustus- ja kalibrointivaihe, kesti neljä kuukautta. Tänä aikana kaikki satelliittiinstrumentit ja anturit alustettiin ja valmisteltiin toimintaan, kalibroitiin ja testattiin. Kahdessa mikromoottorissa oli ongelmia mikrohiukkaskontaminaation vuoksi, mutta ne korjattiin tekemällä säätöjä asenteensäätöjärjestelmän ohjelmistoon. Sen jälkeen teleskooppi teki mikrokorjauksen orientaatiosta vertailutähteen IM Pegasus jokaisella radalla, joka lensi pohjoisnavan yli, ilman ongelmia.

Elokuussa 2005 GP-B astui tieteelliseen vaiheeseen, joka kesti 353 päivää. Tiedonkeruu suoritettiin yli 9 000 anturista ja tallennettiin erityiselle sisäiselle tallentimelle, joka sisälsi jopa 15 tuntia jatkuvaa laitteiden tilan ja antureiden tietojen skannausta. Avaruusalus vaihtoi säännöllisesti tietoja Stanfordin yliopiston toiminnanohjauskeskuksen kanssa NASAn telemetriasatelliittien ja joukon maaseuranta-asemien kautta. Vuoden intensiivisen tiedonkeruun jälkeen suoritettiin aluksen laitteiden testauksen viimeinen vaihe, joka kesti 46 päivää. Yhteensä kerätty noin teratavu tietoa. Tietojen käsittely jatkui vuoteen 2011 asti.

Tulokset

• 14. huhtikuuta 2007 Francis Everitt piti esitelmän [1] välituloksista American Physical Societyn kokouksessa Jacksonvillessä, Floridassa. Johtuen gyroskooppeihin ja niiden kammioiden seiniin "jäädytettyjen" sähkövarausten vuorovaikutuksesta (patch-ilmiö) ja aiemmin huomioimattomista lukuvaikutuksista, joita ei ole vielä täysin suljettu saaduista tiedoista, mittaustarkkuus tässä vaiheessa rajoittui 0,1 kaarisekuntia . Tämän seurauksena kirjoittajat onnistuivat aluksi vahvistamaan vain paremmalla tarkkuudella kuin 1 % geodeettisen precession vaikutuksen ( 6606,1 kaarimillisekuntia (mas) vuodessa), mutta eivät pystyneet eristämään ja varmistamaan inertiaalisen viitekehyksen vetoilmiötä ( 39,2 mas vuodessa). Akselin pyörimisen mitattu vuosivaikutus kiertoratatasossa on −6638 ±97 mas , ennustettu vuotuinen kokonaisvaikutus −6571±1 mas 7 mas ja vertailutähden oikea liike +28 mas ).
• Intensiivisen mittausmelun analysoinnin ja poistamisen jälkeen operaation lopulliset tulokset julkistettiin NASA-TV:n lehdistötilaisuudessa 4. toukokuuta 2011 ja julkaistiin Physical Review Lettersissä [2] . Geodeettisen precession mitattu arvo oli −6601,8±18,3 ms /v ja vastusvaikutus −37,2±7,2 ms / v (vertaa yllä oleviin teoreettisiin arvoihin 6606,1 mas/v ja 39,2 ms/vuosi ).

Katso myös

• Gravitomagnetismi
• Yleinen suhteellisuusteoria
• Viehätys inertiaalisista viitekehyksestä

Muistiinpanot

1. ↑ Gravity Probe B: Väliraportti ja ensimmäiset tulokset (linkki ei saatavilla) . Arkistoitu alkuperäisestä 9. kesäkuuta 2007. (määrätön) 
2. ↑ CWF Everitt et ai . Gravity Probe B: Lopulliset tulokset avaruuskokeesta yleisen suhteellisuusteorian testaamiseksi , Physical Review Letters  (1. toukokuuta 2011). Arkistoitu alkuperäisestä 6. toukokuuta 2018. Haettu 6. toukokuuta 2011.

Linkit

• Gravity Probe B: Maa vääntelee ja vääntelee avaruutta - viesti MEMBRANA  Internet -resurssista , päivätty 17. huhtikuuta 2007.
• Projektin kuvaus Arkistokopio päivätty 13. helmikuuta 2006 Wayback Machinessa venäläisellä Terra Incognita -sivustolla. Arkistokopio päivätty 2. tammikuuta 2007 Wayback Machinessa
• Gravity Probe B:lle omistettu verkkosivusto Arkistoitu 22. tammikuuta 2022 Wayback Machinessa 
• Einsteinin loimivaikutus mitattuna Arkistoitu 7. elokuuta 2021 Wayback Machinessa BBC News -sivustolla  21. lokakuuta 2004 .
• The Extraordinary Technologies of GP-B Arkistoitu 14. toukokuuta 2011 Wayback Machinessa // Stanford

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Hienoa norjalaista Britannica (verkossa)