Гравитационный зонд Б - Учебно

Университет «Дубна»
Доклад на тему:
«Гравитационный зонд Б»
(«Gravity Probe B»)
Выполнил:
студент гр. 4160
Волохов Ю. В.
Дубна, 2007
Введение
Общая теория относительности (или теория гравитации Эйнштейна) нелегко
поддаётся экспериментальной проверке. Сам Эйнштейн в 1916 году сделал три
наблюдаемых предсказания: смещение перигелия Меркурия, отклонение света
звёзд и гравитационное смещение его спектра. На протяжении более 40 лет других
эффектов ОТО не наблюдалось. Да и эти наблюдения не были однозначными:
столь тонкие изменения в звёздном свете трудно поддаются измерению, а на
орбиту Меркурия действуют многие другие факторы, отчасти неизвестные (напр.,
отклонение Солнца от формы шара). Вдобавок, вскоре были выдвинуты
альтернативные теории, приводящие к тем же выводам относительно этих трёх
тестов.
С 60-х годов, с развитием экспериментальной базы, стала возможной более
надёжная проверка теории Эйнштейна и её конкурентов. К настоящему времени
три предсказания Эйнштейна прочно подтверждены. Однако общее положение дел
вокруг ОТО не очень удовлетворительно, в частности, ОТО не удаётся объединить
с квантовой механикой. Это и другие трудности приводят некоторых физиков к
мысли, что ОТО нуждается в поправках. В любом случае, для прояснения ситуации
не хватает недвусмысленных экспериментальных данных. (В отличие от
интерпретации наблюдений за неподконтрольными объектами).
Одним из важнейших экспериментов, который может проверить с большой
точностью тонкие эффекты ОТО, это – «Гравитационный Зонд Б».
Теория
В 1918 году физиками Лензе и Тиррингом был предсказан и теоретически
обоснован эффект «скручивания пространства». Предсказание было сделано на
заре теории относительности. Оно основано на влиянии недиаогональных
компонент метрики. Выберем такую СО, где недиагональные компоненты метрики
не равны нулю. Тогда базисные реперные вектора не переносятся по ФермиУокеру. Например, вектор углового момента S гироскопа в такой СО должен
притерпивать изменение
dS i
  ijl S j  l ,
d
где  ijk – полностью антисимметричный тензор третьего ранга, l – вектор
угловой скорости (поворота реперных векторов, т. к. они уже не переносятся по
Ферми-Уокеру).
Современная формулировка в приближении для околоземной орбиты
следующая. Наряду с обычным ускорением Корриолиса
a=2vxω
появляется дополнительная компонента
1
b = 2 v x H,
где
2MGR 2
H
5c 2 r 3
(r )r 



3

r 2 
В этой формуле:
R, ω и M – радуис, угловая скорость и масса вращающегося тела (планеты),
r – расстояние между телом и наблюдателем, причем r/R >> 1,
v – скорость наблюдателя,
G и c – постоянные: гравитационная и скорость света.
В 1959 году Leonard Schiff из Стэнфорда произвёл вычисления,
показывающие, что гироскоп, облетающий Землю по полярной орбите на высоте
400 миль, должен поворачиваться вместе с Землёй на 42 миллисекунды за год.
(Имеется в виду угловая секунда, т.е. 1/3600 градуса.) Образно говоря,
вращающееся массивное тело (Земля) увлекает пространство-время за собой. Этот
эффект никогда не наблюдался до сих пор.
Подготовка и запуск эксперимента
Для успеха эксперимента необходимы шесть основных ингредиентов:






стабильный гироскоп, отклоняющийся от своей оси не более чем на
0.00000000001 градуса в час.
способ измерить направление его вращения с точностью до 0.1 угловой
миллисекунды, не внося помех вращению.
телескоп и механическая система, позволяющая отсчитывать угол от
направления на выбранную звезду.
достаточно яркая звезда, собственное движение которой точно известно.
схема анализа измерений, разделяющая эффект различных воздействий на
гироскоп.
внутренняя система калибрации устройства, определяющая отсутствие
погрешностей механизма.
Все эти условия были выполнены, причём наиболее трудным оказалось четвёртое.
Инструмент в принципе очень прост. Это полуметровый кварцевый контейнер, на
котором установлен кварцевый телескоп, а внутри содержатся четыре гироскопа.
Он находится в почти 3-х метровом "термосе", поддерживающем температуру в 1.8
градуса выше абсолютного нуля в течение двух лет. Зонд выводится на круговую
орбиту высотой 400 миль, проходящую над полюсами Земли. Все гироскопы
ориентированы на одну и ту же звезду (HR8703, IM Пегаса), причём два вращаются
по часовой стрелке, а два - против.
2
Кварцевый гироскоп и его оболочка
Телескоп
Роторами гироскопов служат кварцевые шарики размером в мяч для пинг-понга,
покрытые тонким слоем металла ниобия. Это - самые круглые объекты не только
на Земле, но и на многие световые года вокруг. Их отклонение от формы шара не
превышает 40 атомных слоёв. Только нейтронные звёзды ближе к шаровой форме,
чем эти куски кварца.
Шары вращаются со скоростью 10000 оборотов в минуту внутри сферических
кварцевых оболочек с зазором около 0.02 мм. Они не насажены на ось, а
поддерживаются электромагнитным полем, которое не позволяет им сдвигаться
больше, чем на стотысячную долю сантиметра. Шары разгоняются (после вывода
на орбиту) потоком гелия, подводимого к ним на околозвуковой скорости. Разгон
занимает около получаса, после чего газ выкачивается до состояния, более
разрежённого, чем вакуум за бортом корабля. Вращаясь в такой среде, гироскопы
потеряют лишь 1% скорости за 1000 лет.
Сосуд Дьюара
Запуск
Направление оси вращения измеряется с помощью сверхпроводимого кольца,
окружающего гироскоп. Внешние электромагнитные поля устраняются при
3
помощи четырёх свинцовых оболочек, вложенных друг в друга и охлаждённых до
состояния сверхпроводимости. (Сверхпроводники непроницаемы для магнитных
полей.) Как уже было сказано, прибор ориентируется на заданную звезду через
телескоп. Однако звезды - не точки, например, HR8703 имеет угловой размер в 1.3
миллисекунды. Кроме того, дифракция приводит к расплыванию её наблюдаемого
диска до 1400 миллисекунд. Фотодетекторы анализируют изображение звезды,
определяя его центр с точностью до долей миллисекунды.
Вряд ли стоит описывать все трудности, возникшие и решённые в ходе этого
уникального проекта. Как когда-то сказал Frank McDonald, теперь уже бывший
научный директор НАСА, это "самый трудный проект, который НАСА проведёт в
этом тысячелетии". Действительно трудный, раз одного тысячелетия оказалось
мало.
Гравитационный Зонд Б был запущен на околоземную орбиту 17-го апреля 2004
года. Подготовка к этому эксперименту заняла более 40 лет. Гравитационный зонд
Б измерит эффект «скручивания пространства» с точностью в 1%.
Последние известия о состоянии эксперимента
Наблюдательная группа 22 декабря 2006 года сообщила, что в период с
августа 2004 по сентябрь 2005 набрала около терабайта данных, и в настоящий
момент занимается анализом данных. Анализ в свою очередь разделен на три фазы.
Первая – с сентября 2005 по февраль 2006 – пошаговая проверка данных.
Сравнивали, например, подневно ориентации осей вращения гироскопов. В течение
второй фазы – марта-августа 2006 – сосредоточились на понимании и компенсации
возможных появляющихся систематических ошибках, посторонних шумах,
возникающих при длительных измерениях. Основное, что беспокоит, это –
гироскопическая полоида (полодия). Были рассмотренны модели по улучшению
вычисления прецессии. Третья фаза продолжалась до конца 2006 года. Провералась
ориентация гироскопов на звезду-ориентир (HR8703, IM Пегаса), а также
изменение положение самой этой звезды. Пока еще не делалось официальных
заявлений по сопоставлению данных отклонения осей вращения всех гироскопов.
16 апреля 2007 года управляющая группа
сделала официальное заявление о первых
результатах эксперимента. С рекордной на
настоящий
момент
точностью
проверен
«геодезический эффект». Однако на счет
«скручивания пространства» еще не стоит делать
выводов. Для номинальной точности – 1% –
спутнику необходимо набирать данные еще около
семи лет.
4
Источники
1. http://www.nasa.gov
2. http://einstein.stanford.edu
3. http://www.gravityprobeb.com
5