Tyngdekraftsonde B
Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 16. august 2020; checks kræver 4 redigeringer .| Tyngdekraftsonde B | |
|---|---|
| Kunstnerens syn på Gravity Probe B-rumfartøjet | |
| Kunde | NASA |
| Fabrikant | lockheed martin |
| Opgaver | kontrollere virkningerne af generel relativitetsteori |
| Satellit | jorden |
| affyringsrampe | Vandenberg base |
| løfteraket | Delta-2 |
| lancering | 20. april 2004 16:57:26 UTC |
| COSPAR ID | 2004-014A |
| SCN | 28230 |
| Orbitale elementer | |
| Humør | 90° |
| Omløbsperiode | 97,6 min |
| apocenter | 645 km |
| pericenter | 641 km |
| einstein.stanford.edu | |
| Mediefiler på Wikimedia Commons | |
Gravity Probe B ( GP-B ) er en amerikansk rummission, der skal måle de ekstremt svage virkninger af den geodætiske præcession af gyroskoper i kredsløb om Jorden og medtrængningen af inertielle referencerammer ved jordens rotation, som forudsiges af Einsteins generelle teori om relativitet . Udviklingen af dewar , videnskabelig instrumenteringsbeholder og elektronisk udstyr til GP-B blev udført af afdelingen for nye teknologier i Lockheed Martin- firmaet. Stanford University valgte Lockheed Martin Missiles & Space , Sunnyvale, til at fremstille selve rumfartøjet .
Satellitten blev opsendt den 20. april 2004, dataindsamlingen begyndte i august 2004. Satellitten arbejdede i kredsløb i i alt 17 måneder og afsluttede sin mission den 3. oktober 2005 . Behandling af de opnåede data blev udført indtil maj 2011 og bekræftede eksistensen og omfanget af virkningerne af geodætisk præcession og træk af inertielle referencerammer, dog med en nøjagtighed lidt mindre end oprindeligt antaget.
Relativitetsforudsigelser
Gravity Probe B-satellitten havde de mest nøjagtige gyroskoper i verden til dato. Nøjagtigheden af målinger af aksens position gør det muligt at detektere to effekter forudsagt af den generelle relativitetsteori:
- geodætisk præcession , der opstår fra krumningen af rum-tid.
- præcession på grund af indblanding af inertikoordinatsystemet nær et roterende massivt legeme ( Jorden ).
Geodætisk præcession opstår på grund af jordens krumning af rum-tid . I et buet rum, hvis du omgiver en vektor langs en lukket kontur, vil den ikke vende tilbage til sin oprindelige position, men vil ændre retning med en eller anden vinkel (se parallel oversættelse ). I dette tilfælde spilles vektorens rolle af gyroskopets spin , og satellitbanen fungerer som en lukket sløjfe. For GP-B-parametrene skal den samlede afbøjningsvinkel ifølge beregninger være 6,6 buesekunder om året. Spinafbøjning skal observeres i planet for satellittens kredsløb.
Præcessionen af den anden type er to størrelsesordener svagere og opstår på grund af rumfangningen af jordens rotation. Hvis du placerer et horisontalt roterende gyroskop ved jordens pol, vil det begynde en meget langsom præcession i retningen af jordens rotation (mod uret ved nordpolen ). Interessant nok skal det omvendte observeres ved ækvator: rummet tættere på Jorden trækkes mere, og præcessionen skulle ske i den anden retning, med uret, set fra nordpolen. For GP-B bør præcession på grund af inertirammemodstand være omkring 0,014 buesekunder om året.
Beskrivelse af eksperimentet
Idéen med eksperimentet er ret enkel. Et system med fire gyroskoper er stift fastgjort til satellittens hovedteleskop, teleskopet peger mod den førende stjerne og holdes i en strengt fast retning under hele flyvningen. Først drejes gyroskoperne, så deres akser falder sammen med hovedteleskopets akse. Den mikroskopiske fejljustering af akserne kan derefter måles ved hjælp af SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Forskydningen af gyroskopakserne målt på denne måde vil kun skyldes de forventede effekter - geodætisk præcession og træk af inertialkoordinatsystemet.
Satellitten bevæger sig i en driftfri bane. Det betyder, at satellittens kredsløb konstant (med en frekvens på 10 gange pr. sekund) justeres i forhold til bevægelsen af massecentret på et af gyroskoperne, der ligesom de tre andre er beskyttet mod alle ydre påvirkninger (atmosfære). , Jordens magnetfelt , sollystryk osv.), bortset fra interaktionen med gravitationsfeltet. Satellitkoordinater optages ved hjælp af GPS -systemet . Gyroskoper roterer med en vinkelhastighed på omkring 4000 omdrejninger i minuttet. De er suspenderet elektrostatisk i en afstand af fraktioner af en millimeter fra hulrummets vægge. For at undgå kontakt mellem gyroskopet og væggene, korrigeres hulrummets position i forhold til gyroskopet 220 gange i sekundet.
Rotorerne på GP-B gyroskoper er lavet så perfekte, at muligheden for præcession på grund af mekaniske defekter eller elektriske kræfter kan udelukkes fra overvejelse. Enheden er i stand til at fiksere forskydningen af akserne op til 0,5 millisekunder vinkelbue om året. Til sammenligning vil denne vinkel være omtrent lig med den vinkel, hvor et menneskehår er synligt fra en afstand af 32 km. Ifølge newtonsk mekanik oplever et perfekt sfærisk gyroskop i fravær af ydre kræfter ikke præcession, det vil sige, hvis dens akse i begyndelsen var rettet mod en bestemt stjerne, vil det altid forblive i denne position. I 1960 beregnede Dr. Leonard Schiff fra Stanford University på basis af Einsteins ligninger og bevægelsesligningerne for en partikel med spin, udledt af Papapetrou ( Papapetrou-Dixon equations ), præcessionen af akserne for gyroskoper og foreslog at udføre et eksperiment, enten i et laboratorium på Jorden eller i rummet. Af hans beregninger fulgte det, at effekten i laboratoriet ville være flere størrelsesordener mindre, så orbitaleksperimentet var mere at foretrække.
Satellitkarakteristika
- Hovedinstrumenterne - gyroskopets krop, teleskopet og de bærende strukturer - er lavet af kvartsglas . Kvarts er praktisk talt ikke udsat for termisk ekspansion over et bredt temperaturområde - det udvider og trækker sig meget lidt og meget ensartet. Kvartsstykkerne blev lavet af Speedring Company i Cullman , Alabama .
- Hovedteleskopet har en åbning på 14 cm og peger mod dobbeltstjernen IM Pegasus ( HR 8703 ).
- Marshall Space Flight Centers teknikere skabte det perfekte poleringsudstyr, der gjorde det muligt for dem at udskære de mest sfæriske genstande, der nogensinde er lavet af mennesker - satellitgyroskoprotorer. Kuglernes overfladeruhed er kun et par dusin atomlag - hvis man øger dem til Jordens størrelse, vil det højeste bjerg eller den dybeste fordybning kun være 2,4 meter højt.
- Ingeniører hos Stanford har udviklet en teknik til at afsætte en tynd (kun et par nanometer tyk) superledende niobiumfilm på overfladen af en kugle.
- Hovedmåleudstyret på GP-B er placeret i en cigarformet 2,7 meter kryogen tank, omgivet af et lag superledende blyfolie for at beskytte mod eksterne magnetiske felter . Denne beholder er til gengæld, sammen med den superledende skal, placeret i et Dewar-fartøj , som på opsendelsestidspunktet indeholdt 2441 liter flydende helium . For at holde niobfilmen i superledende tilstand er det nødvendigt at opretholde en kryogen temperatur på 1,8 K.
- Retningen af gyroskopets rotationsakse detekteres ud fra det magnetiske moment ( London moment ), som den roterende superleder genererer. Feltdetektorerne er kvanteinterferometre ( SQUIDs ) med en følsomhed, der gør det muligt at måle magnetfeltet 10 størrelsesordener svagere end Jordens felt.
- Det superflydende helium i satellittens Dewar-kolbe tjener ikke kun til at understøtte det kryogene medium, men også som arbejdsvæske for jetmikromotorer til manøvrer under præcist sigte af teleskopet.
- Mere end 400 elektriske ledninger, såvel som stjernelys, der kommer ind i det kryogene miljø, opvarmer Dewar-beholderen. På grund af denne varme koger flydende helium langsomt væk. Derfor opfandt Stanford-specialister en speciel "porøs prop", der fjerner det afkogte gasformige helium fra Dewar-beholderen, hvilket kun efterlader flydende helium og opretholder den nødvendige kryogene temperatur.
- Gasformigt helium ledes gennem flere ydre kølelag af Dewar-fartøjet og slynges derefter ud i rummet af en af de otte mikrothrustere ombord på satellitten. Baseret på dataene fra teleskopet og gyroskopernes position doseres det udgående helium omhyggeligt på en sådan måde, at et af de fire gyroskoper holdes i centrum af massen af hele systemet.
Flyhistorik
GP-B blev opsendt den 20. april 2004 kl. 09:57:24 fra Vandenberg Air Force Base . Delta -2 løfteraket lancerede rumfartøjet ind i en næsten cirkulær cirkumpolær bane med en højde på ~642 km. Solpanelerne blev installeret efter planen, 66 minutter efter opsendelsen, og opsendelsesnøjagtigheden var så høj, at der ikke var behov for yderligere banekorrektion.
Den første fase af missionen, initialiserings- og kalibreringsfasen, varede fire måneder. I denne periode blev alle satellitinstrumenter og sensorer initialiseret og klargjort til drift, kalibreret og testet. Der var nogle problemer med to af mikromotorerne på grund af mikropartikelkontamination, men de blev rettet ved at foretage justeringer af indstillingskontrolsystemets software. Derefter foretog teleskopet en mikrokorrektion af orienteringen til referencestjernen IM Pegasus på hver bane, der fløj over nordpolen, uden problemer.
I august 2005 gik GP-B ind i den videnskabelige fase, som varede 353 dage. Dataindsamlingen blev udført fra mere end 9.000 sensorer og optaget på en speciel indbygget optager, som indeholdt op til 15 timers kontinuerlig scanning af udstyrsstatus og data fra sensorer. Rumfartøjet udvekslede periodisk information med operationskontrolcentret ved Stanford University gennem et netværk af NASA-telemetrisatellitter og en række jordsporingsstationer. Efter et års intensiv informationsindsamling blev den sidste fase af test af udstyr om bord gennemført, som tog 46 dage. I alt indsamlet omkring en terabyte information. Databehandlingen fortsatte indtil 2011.
Resultater
- Den 14. april 2007 holdt Francis Everitt en præsentation [1] om foreløbige resultater på mødet i American Physical Society i Jacksonville, Florida. På grund af vekselvirkningen mellem elektriske ladninger "frosset" ind i gyroskoperne og væggene i deres kamre (lappeeffekten), og som tidligere ikke var redegjort for aflæsningseffekter, endnu ikke helt udelukket fra de opnåede data, var målenøjagtigheden på dette trin begrænset til 0,1 buesekunder . Som et resultat formåede forfatterne i begyndelsen kun at bekræfte med en nøjagtighed bedre end 1 % effekten af geodætisk præcession ( 6606,1 bue millisekunder (mas) pr. år), men det lykkedes ikke at isolere og verificere trækfænomenet i den inerti-referenceramme ( 39,2 mas om året). Den målte årlige effekt af akserotation i orbitalplanet er -6638 ±97 mas , den forudsagte samlede årlige effekt er -6571±1 mas 7 mas , og referencestjernens egenbevægelse, +28 mas ).
- Efter intensivt arbejde med analyse og ekstraktion af målestøj blev de endelige resultater af missionen annonceret på en pressekonference på NASA-TV den 4. maj 2011 og offentliggjort i Physical Review Letters [2] . Den målte værdi af den geodætiske præcession var -6601,8±18,3 ms /år, og trækeffekten var -37,2±7,2 ms / år (sammenlign med ovenstående teoretiske værdier på 6606,1 mas/år og 39,2mas/år ).
Se også
Noter
- ↑ Gravity Probe B: Interim Report & First Results (link ikke tilgængeligt) . Arkiveret fra originalen den 9. juni 2007.
- ↑ CWF Everitt et al . Gravity Probe B: Endelige resultater af et rumeksperiment til at teste generel relativitetsteori , Physical Review Letters (1. maj 2011). Arkiveret fra originalen den 6. maj 2018. Hentet 6. maj 2011.
Links
- Gravity Probe B: Jorden fordrejer og vrider rummet - en besked fra MEMBRANA internetressourcen dateret 17. april 2007.
- Beskrivelse af projektet Arkivkopi dateret 13. februar 2006 på Wayback Machine på det russiske site Terra Incognita Arkivkopi dateret 2. januar 2007 på Wayback Machine
- Hjemmeside dedikeret til Gravity Probe B Arkiveret 22. januar 2022 på Wayback Machine
- Einsteins warp-effekt målt Arkiveret 7. august 2021 på Wayback Machine på BBC News-webstedet 21. oktober 2004 .
- The Extraordinary Technologies of GP-B Arkiveret 14. maj 2011 på Wayback Machine // Stanford
 Ordbøger og encyklopædier |
|---|
| Fly- og rumteknologi fra Lockheed og Lockheed Martin Corporation | |
|---|---|
| Fighters | |
| Trommer | F-117 Nighthawks |
| Militær transport | |
| Intelligens | |
| Passager | |
| tungt bevæbnet | AC-130 Spectre |
| generelle formål | |
| Uddannelse | |
| Patrulje | |
| Ubemandet | |
| Helikoptre |
|
| rumfartøj | |
| satellitter | |
| Militære satellitter | |
| Start køretøjer | |