Til hovedsiden
    

   
    Bli medlem
    Siste nytt
    Artikler
    Bildeserier
    Temasider
    Bildearkiv
    Foredrag
    Effekter til salgs
    Lenker
    Spørsmål og svar
    Spør oss
    Prosjektoppgave
    Om oss
    NAF på Facebook
    Kontakt oss
    Nettstedskart
    Hovedsiden
Trykk for å lese mer om sitatet
 

Gravity Probe B skal teste relativitetsteorien

Av Erik Tronstad

 

Artikkel publisert i eRomfart, nummer 2004-104, 21.04.2004 av Norsk Astronautisk Forening/www.romfart.no.

Skriv ut

Tips bekjent

 

Delta 2/Gravity Probe B-oppskyting

Delta 2-bæreraketten med Gravity Probe B rett etter starten fra Vandenberg Air Force Base. (Boeing)

Satellitten Gravity Probe B ble skutt opp fra Vandenberg Air Force Base i California, USA klokken 18.57.24 norsk sommertid i går, tirsdag 20. april 2004. Oppskytingen skjedde med en bærerakett av typen Delta 2.

Gravity Probe B ble skilt fra Delta 2s andre trinn 1 time, 15 minutter og 10 sekunder etter oppskytingsstart, og plassert i en bane på 636,8 km x 659,3 km, med en inklinasjon på 90,011°.

Da var de fire sol­celle­pa­nelene allerede foldet ut, noe som er uvanlig. Normalt foldes sol­celle­pa­nelene på en satellitt ut etter at satellitten er frigjort fra bærerakettens siste trinn. Gravity Probe B har et meget følsomt og spesielt system for bane- og stillingskontroll. Hensynet til dette gjorde at sol­celle­pa­nelene ble foldet ut, mens satellitten ennå var koblet til Delta 2s andre trinn.

I dagene fremover skal banen finjusteres. Systemer og instrumenter om bord skal aktiviseres og gjøres klar til bruk. En gang i første halvdel av juni 2004 skal satellitten starte på sitt vitenskapelige program.

Gravity Probe B er en meget avansert satellitt, som skal teste Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Det er en teori om gravitasjon, rom og tid, som Einstein fremsatte i 1916. Da hadde han arbeidet i årevis med å komme frem til den.

Gravity Probe B

Gravity Probe B tegnet sett i jordbane. (NASA/MSFC)

I den generelle relativitetsteorien betraktes ikke rom og tid som vidt forskjellige fenomener, men som størrelser som sammen utgjør det man kaller romtiden. Uten noen form for masse eller energi til stede, har romtiden en enkel geometri. Legemer som er i romtiden, krummer i større eller mindre grad romtiden rundt dem. Det gjelder ethvert legeme, fra sandkorn til de mest massive stjerner. Rundt et sandkorn er romtiden svært lite krummet, nær et svart hull er romtiden svært mye krummet. Kommer man nær nok et svart hull, lukker romtiden seg rundt det svarte hullet. Alt dette ifølge den generelle relativitetsteorien.

Også Jorden krummer romtiden rundt seg, men lite. Effekten, som kalles den geodetiske effekt, er så liten at den knapt er målbar. For å kunne måle den, må man bruke meget avanserte og svært følsomme instrumenter. Det skal man gjøre med instrumentene i Gravity Probe B.

Den generelle relativitetsteorien sier også at et legeme som roterer, vil dra med seg romtiden rundt seg. To østerrikske fysikere, Josef Lense og Hans Thirring, avledet i 1918 dette som én av konsekvensene av den generelle relativitetsteorien. Fenomenet omtales derfor i enkelte sammenhenger som Lense-Thirring-effekten.

Siden Lense-Thirring-effekten skal gjelde for alle legemer, skal den også gjelde for Jorden. Igjen er det imidlertid en effekt som er ekstremt svak og meget vanskelig å måle. Med Gravity Probe B skal man prøve å måle denne effekten, det vil si i hvilken grad Jordens rotasjon drar med seg romtiden rundt vår planet.

Dette er de eneste to formålene med Gravity Probe B.

Gravity Probe B

Etter sammenmontering har Gravity Probe B vært gjennom en rekke omfattende tester, før oppskyting. (Russ Underwood, Lockheed Martin Space Systems)

I teorien er det enkelt å foreta slike målinger. Man kan bare plassere en hurtig roterende homogen og perfekt kule, i jordbane. Kulen måtte selvsagt isoleres fra alle andre ytre påvirkninger, som gravitasjon, solstråling, friksjon mot atmosfæren, magnetiske felter og elektriske ladninger. Rotasjonsaksen til en slik kule vil hele tiden peke i samme retning. Det eneste som da kan endre retningen på rotasjonsaksen, er strukturen til romtiden.

De to nevnte relativistiske effektene vil føre til at kulens rotasjonsakse over tid ikke vil ha en helt konstant retning i rommet. Hvor mye dens retning endrer seg, avhenger av hvilken bane kulen har rundt Jorden.

I prinsippet er det akkurat dette man skal gjøre med Gravity Probe B. Satellitten inneholder fire slike kuler eller gyroskoper, som der roterer helt fritt i et vakuum. Gravity Probe B skal gå i en bane på 639,5 km x 659,1 km, med en inklinasjon på 90,007°, en eksentrisitet på 0,0014 og en omløpstid på 97,5 minutter.

I denne banen vil den geodetiske effekten føre til at rotasjonsaksen til hvert gyroskop vil svinge en vinkel på 6614,4 millibusekunder i kulens baneplan, i løpet av ett år. Dreiningen av romtiden vil føre til at gyroskopets rotasjonsakse i samme tidsrom svinger en vinkel på 40,9 milli­bue­sekund­er normalt på gyroskopets baneplan.

En grad består av 60′, hvert bueminutt består av 60 bueskunder. Følgelig består én grad av 3600″ eller 3 600 000 milli­bue­sekund­er. Man må med andre ord måle effekter på henholdsvis 0,00184° og 0,0000114°.

Gravity Probe B

Gyroskopene i Gravity Probe B er omtrent på størrelse med golfballer. Her ses ett av dem i hendene på en tekniker. (Stanford University)

Gravity Probe B

Ett av de fire gyroskopene i Gravity Probe B belyst bakfra. Bildet ble tatt da gyroskopene ble montert inn i kvartsblokken. (Stanford University)

De fire gyroskopene i Gravity Probe B utgjør senteret i satellitten. Hvert gyroskop er laget av smeltet kvarts, har en diameter på omtrent 3,81 cm og avviker med mindre enn 40 atomlag fra å være en perfekt kule. De er de mest kuleformede legemer som er laget. De eneste legemer som har en bedre kuleform, er nøytronstjerner.

Jordens høyste fjell er nesten 9 km høye Mount Everest. Den dypeste havgropen er omtrent 11 km dyp. Om de fire gyroskopene i Gravity Probe B var blitt forstørret til Jordens diameter, ville det høyeste «fjellet» på dem bare vært 2,4 meter høyt.

I tillegg til å være nesten perfekt kuleformede, er gyroskopene også nær perfekt homogene. Det innebærer at de har samme tetthet og struktur overalt inni seg.

Hvert gyroskop har ytterst en 1,27 mikrometer tykk overflate av niob, et metall som blir superledende ved svært lave temperaturer.

De fire gyroskopene befinner seg inni et «hus» eller en blokk av kvarts. Hvert gyroskop er i sitt eget lille hulrom, omgitt av et antimagnetisk materiale. Ved hjelp av et elektrisk felt svever gyroskopet fritt i et vakuum, mens det roterer og har en klaring på mindre enn 0,03 mm til kvartsblokken. Når Gravity Probe B er kommet i sin sluttbane, sendes en stråle av heliumgass mot hvert gyroskop. I løpet av omtrent en halv time settes hvert gyroskop i rotasjon, med en hastighet på opptil 10 000 omdreininger per minutt.

Gravity Probe B

Prototype av kvartsblokken i Gravity Probe B. (Stanford University)

Hele kvartsblokken er i et vakuum som er bedre enn vakuumet rundt Jorden der Gravity Probe B går i bane. Et aktivt kjølesystem sørger for å kjøle kvartsblokken og alle dens komponenter ned til en temperatur på bare 1,8 K (-271,4 °C). Ved denne lave temperaturen blir belegget av niob utenpå hvert gyroskop superledende. Niobet leder da strøm uten noen elektrisk motstand.

Gravity Probe B

En tekniker arbeider i et renrom med sentrale deler av instrumenteringen i Gravity Probe B. (Russ Underwood, Lockheed Martin Space Systems)

Fysikeren Fritz London viste i 1948 at en superleder som roterer, vil produsere et magnetisk moment. Momentet vil være rettet eksakt langs rotasjonsaksen. Dette magnetfeltet, rundt hvert gyroskop i Gravity Probe B, måles med en superledende innretning kalt SQUID. SQUID er særdeles følsom for endringer i dette magnetfeltet, så følsom at den kan registrere endringer på 0,00000000000005 gauss (1/10 000 000 000 000 av Jordens magnetfelt). En slik endring i magnetfeltet fra et av gyroskopene tilsvarer en retningsendring av rotasjonsaksen på bare 0,1 millibuesekund. På denne måten kan man med stor nøyaktighet måle hvordan rotasjonsaksen eventuelt endrer retning.

Kvartsblokken er montert inni en stor «termosflaske», en tank som inneholder 2441 liter med superflytende helium ved en temperatur på 1,8 K. Heliumet sørger for å kjøle ned kvartsblokken og de superfølsomme komponentene i den.

Gravity Probe B

Beholderen eller «termosflasken» med flytende helium utgjør samtidig hovedstrukturen som Gravity Probe B er bygd opp rundt. (Russ Underwood, Lockheed Martin Space Systems)

Denne 2,7 m store «termosflasken» eller heliumbeholderen er samtidig hovedstrukturen i Gravity Probe B. Mellom inner- og ytterveggene i beholderen er et hulrom, der det er et så godt vakuum som det er mulig å lage. Veggene inneholder selvsagt flere lag med forskjellige typer varmeisolerende materialer.

I den ene enden av kvartsblokken med de fire gyroskopene sitter speilet i et teleskop. Speilet har en diameter på 14,2 cm. Bunnen av det er montert til kvartsblokken. Fra speilet og oppover strekker teleskoprøret seg, som en forlengelse av kvartsblokken.

Teleskopet må hele tiden være rettet mot et fjernt og stabilt referansepunkt. Det ideelle referansepunktet ville vært en fjern kvasar, fordi en slik kvasar ikke vil ha noen synlig bevegelse på tvers av synslinjen i løpet av et år. Slike kvasarer er imidlertid for lyssvake for et så lite teleskop, som Gravity Probe B har. Derfor må teleskopet isteden være rettet mot en stjerne .

Forskerne hadde fire krav til stjernen som skulle være «ledestjerne» for Gravity Probe B. Bare tre stjerner oppfylte alle fire kravene. IM Pegasi (HR 8703) ble valgt blant disse tre.

Hele tiden mens Gravity Probe B er i bane, må teleskopet være rettet mot IM Pegasi med et avvik på høyst 20 milli­bue­sekund­er. Det oppnår man ved å la Gravity Probe B rotere rundt teleskopets lengdeakse, samme akse som også kvartsblokken med de fire kvartsgyroskopene ligger langs.

Når de vitenskapelige observasjonene med Gravity Probe B starter, omtrent 45 døgn etter oppskyting, vil rotasjonsaksene til de fire gyroskopene være parallelle med teleskopets rotasjonsakse. Deretter måler man kontinuerlig retningene på alle disse rotasjonsaksene. Hvis retningen som rotasjonsaksene til de fire gyroskopene peker i, begynner å avvike fra retningen på teleskopets rotasjonsakse, må det skyldes den lokale romtiden nær Jorden, der Gravity Probe B går i bane.

Hvis den generelle relativitetsteorien har rett, skal altså rotasjonsaksene til gyroskopene etter ett år avvike med henholdsvis 6614,4 millibusekunder og 40,9 milli­bue­sekund­er, i ulike retninger. Man regner med at Gravity Probe B skal greie å måle de to vinklene med en usikkerhet på bare 0,5 milli­bue­sekund­er. Det betyr at man regner med å måle den geodetiske effekten med en usikkerhet på 0,01 % og Lense-Thirring-effekten med en usikkerhet på 1 %.

For å oppnå dette resultatet, må alle utvendige krefter på Gravity Probe B i størst mulig grad nøytraliseres. Det gjelder faktorer som solstråling, friksjon mot atmosfæren, magnetiske felter og elektriske ladninger, der de to første er de største. Gravity Probe B har åtte par små dyser til dette formålet. Etter behov slippes det ørsmå mengder heliumgass ut gjennom dem.

Fra tanken med flytende helium vil det hele tiden skje en viss fordampning, om enn svært liten. Heliumgassen som fordamper derfra, brukes på en kontrollert måte til å kompensere for ytre krefter, som Gravity Probe B er utsatt for.

De to relativistiske effektene som Gravity Probe B skal måle, er mer markante jo kraftigere gravitasjonsfeltet er. Slik sett ville det vært gunstig å ha Gravity Probe B i en lavest mulig jordbane. På den annen side er det slik at jo lavere bane Gravity Probe B går i, jo mer påvirket blir satellitten av de ørsmå mengdene med gass i jordatmosfæren og jo mer skal det til for å kompensere for denne luftmotstanden. Banehøyden på 639,5 km x 659,1 km er et kompromiss mellom disse avveiningene.

Gravity Probe B

Gravity Probe B fotografert under sammenmontering hos fabrikanten. (Russ Underwood, Lockheed Martin Space Systems)

Gravity Probe B har en lengde på 6,43 m, en diameter på 2,64 m, veier 3100 kg og får levert 606 W med strøm fra sol­celle­pa­nelene sine.

Etter at de fire gyroskopene er akselerert opp til rotasjonshastigheter på 10 000 omdreininger per minutt, skal Gravity Probe B i 13-15 måneder måle rotasjonsaksene deres. Deretter kommer en periode på 2-3 måneder der man bevisst vil øke forstyrrelsene på gyroskopene og satellitten. Formålet med det er å få bedre mål på alle kjente feilkilder. Med kjennskap til dem, kan man redusere usikkerheten i målingene gjort i løpet av den 13-15 måneder lange vitenskapelige fasen.

Tanken om å måle den geodetiske effekten og Lense-Thirring-effekten slik Gravity Probe B nå skal gjøre, ble unnfanget i 1959. NASA bevilget de første midlene til prosjektet i 1964. Følgelig har det tatt 40 år å realisere prosjektet, til en pris av 700 millioner dollar. Da det startet, hadde man ikke de nødvendige teknologier som skulle til for å bygge den satellitten som nå er skutt opp.

Einsteins generelle relativitetsteori er snart 100 år og har et solid fundament i dagens fysikk. Likevel er det ikke så mange sider av teorien som tidligere har vært testet.

En av dem er Merkurs perihelbevegelse. Linjen mellom punktene i Merkurs bane rundt Solen som er nærmest og lengst fra Solen, dreier langsomt rundt Solen. Effekten, som kalles Merkurs perihelbevegelse, er liten, bare 43″ i løpet av 100 år. Alt før Einsteins generelle relativitetsteori ble lansert, hadde man målt denne dreiningen. Den stemte imidlertid ikke med beregninger av Merkurs bevegelse gjort fra Newtons gravitasjonsteori. Før den generelle relativitetsteorien kom, prøvde man blant annet å forklare Merkurs perihelbevegelse med at det var en annen planet i samme bane som Merkur, men som vi ikke kunne observere fra Jorden, fordi den var for nær Solen. Nå vet man at Merkurs perihelbevegelse er en rent relativistisk effekt, som Newtons gravitasjonsteori rett og slett ikke kan forklare.

En annen relativistisk effekt som er blitt testet, er at lys avbøyes når det passerer nær et legeme. Rent praktisk ble det først gjort ved å observere stjerneposisjoner nær Solen under solformørkelser. Stjerner som da er nær Solen, vil få en litt annen posisjon enn når Solen ikke er der. Senere har det vært gjort ved å observere avbøyning av radiostråling fra fjerne kvasarer, som passerer nær mellomliggende galakser. Disse målingene stemmer med hva den generelle relativitetsteorien forutsier, med en usikkerhet på bare 0,1 %.

Ifølge den generelle relativitetsteorien vil lys som beveger seg oppover i et gravitasjonsfelt, miste energi og rødforskyves. En variant av dette ble testet med Gravity Probe A i 1976. En rakett med en meget nøyaktig klokke basert på en hydrogenmaser ble skutt opp til en høyde av nesten 10 000 km. Der oppe er Jordens gravitasjonsfelt svakere enn ved jordoverflaten. Frekvensen i klokken i raketten ble sammenliknet med frekvensen i en klokke på bakken. Forsøket viste at de to klokkene faktisk hadde forskjellige frekvenser. Resultatet stemte med den generelle relativitetsteorien med en usikkerhet på 0,007 %.

I 1964 viste Irwin Shapiro at ifølge den generelle relativitetsteorien vil elektromagnetisk stråling få økt gangtid når den passerer nær et legeme. Årsaken er at strålingen ikke følger en helt rett linje, men avbøyes langs en litt krum bane. Denne effekten har vært testet flere ganger, blant annet ved å sende radarekko mot planetoverflater og måle gangtiden frem og tilbake. Den har også vært testet ved bruk av romfartøyer, senest med Cassini/Huygens i 2002 (se Cassini-eksperiment styrker relativitetsteorien (eRomfart 2003-168)). Resultatene stemmer med den generelle relativitetsteorien med en usikkerhet på 0,002 %.

Gravity Probe B

Romtiden i to dimensjoner er her tenkt som et plant rutenett. Jordens gravitasjonsfelt forårsaker en «bulk» på dette planet og fordreier slik den lokale romtiden. (NASA/MSFC)

Den geodetiske effekten er tidligere blitt påvist og målt. Gravity Probe B vil imidlertid måle den med langt mindre usikkerhet enn tidligere.

Lense-Thirring-effekten har aldri før vært testet direkte, på noen måte tilsvarende det Gravity Probe B nå skal gjøre. Dog mener en gruppe italienske fysikere å ha målt den med en feilmargin på 20 %, ved hjelp av de to Lageos-satellittene. Begge er kulerunde og tett besatt med laserreflektorer. Ved å sende laserpulser mot dem og måle det reflekterte lyset, kan banene deres beregnes meget nøyaktig. Les mer om Lageos i notisene LAGEOS i Smånytt om Romfart nummer 6, 1976 og STS-52/Lageos-2 i Smånytt om Romfart nummer 6, 1992.

De fleste fysikere regner med at resultatene fra Gravity Probe B kommer til å være i overensstemmelse med Einsteins generelle relativitetsteori. At så skal skje, er imidlertid ingen selvfølge. Ingen kan trekke noen sikre slutninger om utfallet av målingene som Gravity Probe B skal gjøre, før de faktisk er gjennomført.

 
Forrige eRomfart | Neste eRomfart | Alle eRomfart 2004
 
 
 

Alt stoff på romfart.no/.com/.org er opphavsrettslig beskyttet.
romfart.no/.com/.org eies og drives av Norsk Astronautisk Forening.