Википедия

Gravity Probe B

Gravity Probe B (GP-B) — американская космическая миссия по измерению чрезвычайно слабых эффектов геодезической прецессии гироскопов на околоземной орбите и увлечения инерциальных систем отсчёта вращением Земли, которые предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Разработкой дьюара, контейнера научной аппаратуры и электронного оборудования для GP-B занимался отдел новых технологий компании «Lockheed Martin». Для изготовления самого космического аппарата Стенфордским университетом была выбрана компания «Lockheed Martin Missiles & Space», Саннивейл.

Gravity Probe B
КА «Gravity Probe B» в представлении художника
КА «Gravity Probe B» в представлении художника
Заказчик Соединённые Штаты Америки НАСА
Производитель Соединённые Штаты Америки Lockheed Martin
Оператор Стэнфордский университет[1]
Задачи проверка эффектов ОТО
Спутник Земли
Стартовая площадка Соединённые Штаты Америки база Ванденберг
Ракета-носитель Дельта-2
Запуск 20 апреля 2004 16:57:26 UTC
COSPAR ID 2004-014A
SCN 28230
Технические характеристики
Масса 3334 кг[1]
Диаметр 2,6 м[2]
Элементы орбиты
Наклонение 90°
Период обращения 97,6 мин
Апоцентр 645 км
Перицентр 641 км
Логотип миссии
Изображение логотипа
einstein.stanford.edu (англ.)
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Спутник был запущен 20 апреля 2004 года, сбор данных начат в августе 2004. На орбите спутник отработал в целом 17 месяцев и завершил свою миссию 3 октября 2005 года. Обработка полученных данных велась до мая 2011 года и подтвердила существование и величину эффектов геодезической прецессии и увлечения инерциальных систем отсчёта, хотя и с точностью, несколько меньшей изначально предполагавшейся.

Предсказания теории относительности править

 
Gravity Probe B: Измерение кривизны пространства на орбите Земли (рисунок художника)

Спутник Gravity Probe B нёс на борту самые точные на тот день гироскопы в мире. Точность измерений положения оси позволяет обнаружить два эффекта, предсказываемые общей теорией относительности:

Геодезическая прецессия возникает из-за искривления пространства-времени Землёй. В искривлённом пространстве, если обнести вектор по замкнутому контуру, он не возвратится в исходное положение, а изменит направление на некоторый угол (см. параллельное перенесение). В данном случае роль вектора выполняет спин гироскопа, а орбита спутника выступает в качестве замкнутого контура. Для параметров GP-B, по расчётам, суммарный угол отклонения должен равняться 6,6 угловых секунд в год. Отклонение спина должно наблюдаться в плоскости орбиты спутника.

Прецессия второго типа на два порядка слабее и возникает из-за увлечения пространства вращением Земли. Если поместить горизонтально вращающийся гироскоп на полюсе Земли, он начнёт очень медленную прецессию в направлении вращения Земли (против часовой стрелки на северном полюсе). Интересно, что на экваторе должна наблюдаться обратная картина: пространство ближе к Земле увлекается больше, и прецессия должна происходить в другую сторону, по часовой стрелке, если смотреть со стороны северного полюса. Для GP-B прецессия из-за увлечения инерциальной системы отсчёта должна составить примерно 0,014 угловых секунд в год.

Описание эксперимента править

Идея эксперимента достаточно проста. Система из четырёх гироскопов жёстко закрепляется на главный телескоп спутника, телескоп наводится на ведущую звезду и поддерживается в строго фиксированном направлении в течение всего полёта. Вначале гироскопы раскручиваются так, чтобы их оси совпадали с осью главного телескопа. После этого микроскопическое смещение осей можно будет измерить с помощью SQUID (сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство). Измеренное таким образом смещение осей гироскопов будет только за счёт ожидаемых эффектов — геодезической прецессии и увлечения инерциальной системы координат.

Спутник движется по свободной от сноса орбите. Это означает, что орбита спутника постоянно (с частотой 10 раз в секунду) корректируется по движению центра масс одного из гироскопов, который, как и три остальных, защищён от всех внешних воздействий (атмосфера, магнитное поле Земли, давление солнечного света и т. д.), кроме взаимодействия с гравитационным полем. Координаты спутника регистрируются с помощью системы GPS. Гироскопы вращаются с угловой скоростью около 4000 оборотов в минуту. Они подвешены электростатически на расстоянии долей миллиметра от стенок полости. Чтобы избежать контакта гироскопа со стенками, позиция полости относительно гироскопа корректируется 220 раз в секунду.

Роторы гироскопов GP-B изготовлены настолько совершенными, что можно исключить из рассмотрения вероятность прецессии из-за механических дефектов или электрических сил. Прибор способен зафиксировать смещение осей вплоть до 0,5 миллисекунд угловой дуги в год. Для сравнения, этот угол будет примерно равен углу, под которым виден человеческий волос с расстояния 32 км. Согласно ньютоновской механике, совершенный сферический гироскоп в отсутствие внешних сил не испытывает прецессии, то есть если вначале его ось была направлена на определённую звезду, она будет оставаться в таком положении всегда. В 1960 году доктор Леонард Шифф из Стенфордского университета на основании уравнений Эйнштейна и уравнений движения частицы со спином, выведенных Папапетру (уравнения Папапетру-Диксона[англ.]), вычислил величину прецессии осей гироскопов и предложил произвести эксперимент, либо в лаборатории на Земле, либо в космосе. Из его расчётов следовало, что эффект в лаборатории будет на несколько порядков меньше, поэтому орбитальный эксперимент более предпочтителен.

Характеристики спутника править

 
Самая близкая к идеальной сфера из всех когда-либо созданных человеком — ротор гироскопа GP-B. Сфера сделана из кварцевого стекла и покрыта тонкой плёнкой сверхпроводящего ниобия. Поверхности кварца отполированы до атомарного уровня.
  • Основные приборы — корпус гироскопа, телескоп и несущие конструкции — изготовлены из кварцевого стекла. Кварц практически не подвержен тепловому расширению в широком диапазоне температур — расширяется и сжимается очень мало и очень однородно. Кварцевые детали были изготовлены компанией Speedring из города Куллман, штат Алабама.
  • Главный телескоп имеет апертуру 14 см и направлен на двойную звезду IM Пегаса (HR 8703[англ.]).
  • Техники центра Маршалла (Marshall Space Flight Center) создали совершенное полировочное оборудование, позволившее им выточить самые сферические объекты из когда-либо изготовленных человеком — роторы гироскопов спутника. Шероховатость поверхности сфер составляет всего несколько десятков атомных слоёв — если увеличить их до размера Земли, самая высокая гора или самая глубокая впадина будет всего 2,4 метра в высоту.
  • Инженеры в Стенфорде разработали технологию нанесения тонкой (всего несколько нанометров в толщину) сверхпроводящей ниобиевой плёнки на поверхность сферы.
  • Основное измерительное оборудование GP-B помещено в сигарообразную 2,7-метровую криогенную ёмкость, окружённую слоем сверхпроводящей свинцовой фольги для защиты от внешних магнитных полей. Эта ёмкость, в свою очередь, вместе со сверхпроводящей оболочкой, помещена в сосуд Дьюара, в момент запуска содержавший 2441 л жидкого гелия. Для поддержания ниобиевой плёнки в сверхпроводящем состоянии необходимо поддерживать криогенную температуру 1,8 К.
  • Направление оси вращения гироскопа детектируется по магнитному моменту (Лондоновскому моменту), который генерирует вращающийся сверхпроводник. Детекторами поля служат квантовые интерферометры (СКВИДы) с чувствительностью, позволяющей измерять магнитное поле на 10 порядков более слабое, чем поле Земли.
  • Сверхтекучий гелий в сосуде Дьюара спутника служит не только для поддержки криогенной среды, но и как рабочее тело реактивных микродвигателей для манёвров при точной наводке телескопа.
  • Более 400 электрических проводов, а также звёздный свет, который попадает в криогенную среду, нагревают сосуд Дьюара. Из-за этого тепла жидкий гелий потихоньку выкипает. Поэтому специалисты Стенфорда изобрели специальную «пористую пробку», которая отводит выкипевший газообразный гелий из сосуда Дьюара, оставляя только жидкий гелий и поддерживая необходимую криогенную температуру.
  • Газообразный гелий пропускается через несколько внешних охлаждающих слоёв сосуда Дьюара, а затем выбрасывается в космос одним из восьми микродвигателей на борту спутника. На основании данных телескопа и положения гироскопов, выходящий гелий аккуратно дозируется таким образом, чтобы поддерживать один из четырёх гироскопов строго в центре масс всей системы.

История полёта править

 
Старт ракеты Дельта-2 с космическим аппаратом Gravity Probe B на борту

Запуск GP-B был произведён 20 апреля 2004 года в 9:57:24 с космодрома базы ВВС США Ванденберг. Ракета-носитель Дельта-2 вывела космический аппарат на почти круговую околополярную орбиту высотой ~642 км. Солнечные панели раскрылись по графику, через 66 минут после старта, а точность выведения была настолько высокой, что дальнейшей коррекции орбиты не потребовалось.

Первая фаза миссии, фаза инициализации и калибровки, продолжалась четыре месяца. За этот период все приборы и датчики спутника были инициализированы и подготовлены к работе, откалиброваны и протестированы. Возникли некоторые неполадки в двух микродвигателях из-за загрязнения микрочастицами, но они были устранены путём внесения корректив в программное обеспечение системы ориентации. После этого телескоп совершал микрокоррекцию ориентации на опорную звезду IM Пегаса на каждом витке, пролетая над северным полюсом, без проблем.

В августе 2005 года GP-B перешёл к научной фазе, которая продолжалась 353 дня. Сбор данных осуществлялся с более 9000 датчиков и записывался на специальный бортовой рекордер, который вмещал до 15 часов непрерывного сканирования состояния аппаратуры и данных с датчиков. Космический аппарат периодически обменивался информацией с центром контроля операций в Стенфордском университете через сеть спутников телеметрии NASA и серию наземных станций слежения. После одного года интенсивного сбора информации была проведена финальная стадия тестов бортовой аппаратуры, занявшая 46 дней. В общей сложности собрано около терабайта информации. Обработка данных продолжалась до 2011 года.

Результаты править

  • 14 апреля 2007 года Френсис Эверитт сделал доклад[3] по промежуточным результатам на заседании Американского Физического Общества в Джексонвилле, Флорида. Из-за взаимодействия электрических зарядов, «вмороженных» в гироскопы и стенки их камер (the patch effect), и неучтённых ранее эффектов считывания показаний, пока не полностью исключённых из полученных данных, точность измерений на данном этапе была ограничена 0,1 угловой секунды. В результате авторам удалось вначале лишь подтвердить с точностью лучше 1 % эффект геодезической прецессии (6606,1 угловой миллисекунды (mas) в год), однако не удалось выделить и проверить явление увлечения инерциальной системы отсчёта (39,2 mas в год). Измеренный годовой эффект поворота оси в плоскости орбиты равен −6638±97 mas, предсказанный суммарный годовой эффект равен −6571±1 mas (в него даёт вклад в основном геодезическая прецессия в поле Земли, −6606 mas, но также прецессия в поле Солнца, +7 mas, и собственное движение опорной звезды, +28 mas).
  • После интенсивной работы по анализу и извлечению помех измерений, окончательные итоги миссии были объявлены на пресс-конференции по NASA-TV 4 мая 2011 года и опубликованы в Physical Review Letters[4]. Измеренная величина геодезической прецессии составила −6601,8±18,3 миллисекунды дуги в год, а эффекта увлечения — −37,2±7,2 миллисекунды дуги в год (ср. с приведёнными выше теоретическими значениями 6606,1 mas/год и 39,2 mas/год).

См. также править

Примечания править

  1. ↑ 1 2 https://space.skyrocket.de/doc_sdat/gp-b.htm
  2. ↑ http://einstein.stanford.edu/content/fact_sheet/GPB_FactSheet-0405.pdf
  3. ↑ Gravity Probe B: Interim Report & First Results. Архивировано из оригинала 9 июня 2007 года.
  4. ↑ C. W. F. Everitt; et al. (2011-05-01). "Gravity Probe B: Final results of a space experiment to test general relativity" (PDF). Physical Review Letters. Архивировано (PDF) 6 мая 2018. Дата обращения: 6 мая 2011. {{cite news}}: Явное указание et al. в: |author= (справка)

Ссылки править

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Gravity_Probe_B&oldid=125809694