Satelit diskokoule podrobí „Einsteinovu teorii“ dosud nejpřísnějšímu testu

Foto: CNES/ESA/Arianespace/Optique Vidéo CSG/P. Baudon

---

Vědci doufají, že koule odrážející laser poskytne dosud nejpřesnější měření toho, jak rotace Země deformuje prostor

Nově vypuštěná družice má za cíl změřit, jak rotace Země táhne kolem sebe strukturu časoprostoru, což je efekt Einsteinovy ​​obecné teorie relativity, desetkrát přesněji než kdy předtím, napsal server Nature.

Satelit laserové relativity 2 (LARES-2) odstartoval z kosmodromu Evropské kosmické agentury (ESA) v Kourou ve Francouzské Guyaně 13. července. Byla postavena Italskou vesmírnou agenturou (ASI) za cenu kolem 10 milionů EUR (10,2 milionu USD) a vzlétla při prvním letu modernizované verze evropské rakety Vega, nazvané Vega C.

Výkon rakety byl „úžasný“, říká vedoucí mise Ignazio Ciufolini, fyzik z University of Salento v Lecce v Itálii. „ESA a ASI uvedly satelit na oběžnou dráhu s přesností pouhých 400 metrů.“ Toto přesné umístění pomůže zlepšit kvalitu měření výzkumníků, dodává Ciufolini.

„Myslím, že je to skvělý krok vpřed pro měření tohoto efektu,“ říká Clifford Will, teoretický fyzik na University of Florida v Gainesville.

Reflexní koule

Struktura LARES-2 je odzbrojující jednoduchá: je to koule z kovu pokrytá 303 reflektory, bez palubní elektroniky nebo ovládání navigace. Design připomínající diskokouli je podobný designu jeho předchůdce LARES, dalšího experimentu obecné relativity zahájeného v roce 2012, a sondy LAGEOS nasazené NASA v 70. letech 20. století, především pro studium zemské gravitace. (Laresové, vyslovovaní LAY-reez, byli božstva v pohanském náboženství starověkého Říma.)

LARES-2 balí kolem 295 kilogramů materiálu do koule o průměru menší než 50 centimetrů. Jeho hustota minimalizuje účinky jevů, jako je tlak záření ze slunečního záření nebo slabý odpor zemské atmosféry ve vysokých nadmořských výškách, říká letecký inženýr Antonio Paolozzi z univerzity Sapienza v Římě. Po experimentování s vlastními materiály s vysokou hustotou se tým rozhodl pro běžnou slitinu niklu. To mělo přijatelnou hustotu a umožnilo LARES-2 kvalifikovat se pro první let Vega C bez nákladných letových certifikačních zkoušek.

Ciufolini a jeho kolegové plánují pomocí existující globální sítě laserových zaměřovacích stanic několik let sledovat dráhu LARES-2. Tento druh sondy může poskytovat data po desetiletí. „Můžete si jen sednout a poslat na něj laserové paprsky,“ říká Will. „Z hlediska nákladů je to levná, dobrá věc.“

Podle newtonovské gravitace by měl objekt obíhající kolem dokonale kulové planety neustále sledovat stejnou elipsu, eon po eonu. 

Ale v roce 1913 Albert Einstein a jeho spolupracovník Michele Besso použili předběžnou verzi obecné teorie relativity, aby navrhli, že pokud by taková planeta rotovala, mělo by to způsobit mírný posun dráhy satelitu. Přesnou matematiku tohoto efektu vypočítali v roce 1918 rakouští fyzikové Josef Lense a Hans Thirring. Moderní výpočty předpovídají, že Lense-Thirringův jev, druh relativistického „přetahování rámečku“, by měl způsobit, že rovina oběžné dráhy bude precesovat neboli rotovat kolem zemské osy o 8,6 miliontin stupně za rok.

V praxi Země sama o sobě není dokonalá koule, ale „ve tvaru brambory“, říká Ciufolini. Výsledné nepravidelnosti v gravitačním poli Země – přesně ty věci, k jejichž měření byl LAGEOS navržen – přidávají další orbitální precesi, která může ztížit měření relativistického efektu. Ale porovnáním oběžných drah dvou satelitů lze tyto nepravidelnosti zrušit.

Foto: CNES/ESA/Arianespace/Optique Vidéo CSG/S. Martin

Ciufolini, který pracoval na konceptu mise LARES od své doktorské práce v roce 1984, poprvé použil tento princip v roce 2004 k měření tažení snímku ze srovnání drah LAGEOS a LAGEOS-2 (podobná sonda vypuštěná ASI). On a jeho spolupracovník Erricos Pavlis z University of Maryland v College Park tvrdili, že dopadli na výsledek s přesností 10 %.

I když byl výsledek stále drsný, týmu se podařilo získat experiment NASA v hodnotě 800 milionů dolarů, který měl za cíl měřit přetahování snímků pomocí jiné techniky. Vysoce komplexní mise Gravity Probe B, která byla zahájena v roce 2004, měřila změny nikoli v orbitální dráze kosmické lodi, ale ve sklonu čtyř rotujících koulí, které se posouvaly o nepatrný zlomek stupně za rok. Nepředvídané komplikace znamenaly, že gravitační sonda B mohla dosáhnout přesnosti pouze 20 %, což je daleko od původního cíle 1%.

Omezení spouštění

Ciufolini a jeho tým následně zlepšili svůj dřívější výsledek na přesnost 2 % pomocí LARES, první sondy výslovně navržené pro tento druh experimentu ³ . Ale omezení nosné rakety – dřívější rakety Vega – znamenala, že LARES mohl dosáhnout pouze výšky 1 450 km. LARES-2 je nyní na optimálnějších 5900 km, kde jsou nepravidelnosti zemského gravitačního pole tlumeny, ale efekt tažení rámu je stále silný.

Cílem mise je dosáhnout přesnosti 0,2 % a přesná orbitální injekce by měla tento cíl zajistit na dosah, říká Ciufolini. To by mohlo týmu umožnit zjistit, zda obecná teorie relativity vítězí nad alternativními teoriemi pro časoprostor, dodává.

Thibault Damour, teoretický fyzik z Institutu pokročilých vědeckých studií (IHES) nedaleko Paříže, si pochvaluje nízkou cenu experimentu. „Pokud najdeme odchylku [od teoretické předpovědi], byl by to významný výsledek,“ říká Damour, ale dodává, že ve vesmíru byly provedeny přísnější testy obecné relativity. Mise Cassini NASA k Saturnu naměřila jiný účinek teorie s přesností téměř jedné části ku 10 000 ⁴ .

Ačkoli jsou kolem Země slabé, účinky přetahování snímků se stanou gigantickými, když se dvě černé díry spirálovitě do sebe zapletou a spojí. Observatoře s gravitačními vlnami už možná začaly detekovat takové efekty na konečných drahách některých párů černých děr: z tvaru vln dokážou vypočítat, jak rychle se lehčí černá díra pohybovala a jak rychle se otáčela těžší černá díra. . S detekcí gravitačních vln se porozumění přetahování snímků „stalo základem astrofyziky“, říká Ciufolini.

Zdroj: Nature