Formationsflyvende rumfartøjer kunne undersøge solsystemet for ny fysik

Det er en spændende tid for områderne astronomi, astrofysik og kosmologi. Takket være banebrydende observatorier, instrumenter og nye teknikker kommer videnskabsmænd tættere på eksperimentelt at verificere teorier, der stort set ikke er testet. Disse teorier tager fat på nogle af de mest presserende spørgsmål, videnskabsmænd har om universet og de fysiske love, der styrer det – såsom tyngdekraftens natur, mørkt stof og mørk energi.

I årtier har videnskabsmænd postuleret, at enten er der yderligere fysik på arbejde, eller at vores fremherskende kosmologiske model skal revideres.

Mens undersøgelsen af ​​eksistensen og naturen af ​​mørkt stof og mørk energi er i gang, er der også forsøg på at løse disse mysterier med den mulige eksistens af ny fysik. I et papir foreslog et hold af NASA-forskere, hvordan rumfartøjer kunne søge efter beviser for yderligere fysisk i vores solsystemer. Denne søgning, hævder de, ville blive hjulpet af rumfartøjet, der flyver i en tetraedrisk formation og bruger interferometre. En sådan mission kunne hjælpe med at løse et kosmologisk mysterium, som har unddraget sig videnskabsmænd i over et halvt århundrede.

Forslaget er arbejdet af Slava G. Turyshev, en adjungeret professor i fysik og astronomi ved University of California Los Angeles (UCLA) og forsker ved NASA's Jet Propulsion Laboratory. Han fik selskab af Sheng-wey Chiow, en eksperimentel fysiker ved NASA JPL, og Nan Yu, en adjungeret professor ved University of South Carolina og en seniorforsker ved NASA JPL.

Deres forskningsartikel er dukket op online og er blevet accepteret til offentliggørelse i Physical Review D .

Turyshevs erfaring inkluderer at være medlem af Gravity Recovery And Interior Laboratory (GRAIL) missionsteam. I tidligere arbejde har Turyshev og hans kolleger undersøgt, hvordan en mission til solens solar gravitation linse (SGL) kunne revolutionere astronomi. I en tidligere undersøgelse overvejede han og SETI-astronomen Claudio Maccone også, hvordan avancerede civilisationer kunne bruge SGL'er til at overføre strøm fra det ene solsystem til det næste.

For at opsummere er gravitationslinser et fænomen, hvor gravitationsfelter ændrer rumtidens krumning i deres nærhed. Denne effekt blev oprindeligt forudsagt af Einstein i 1916 og blev brugt af Arthur Eddington i 1919 til at bekræfte hans generelle relativitetsteori (GR). Men mellem 1960'erne og 1990'erne gav observationer af galaksernes rotationskurver og universets udvidelse anledning til nye teorier om tyngdekraftens natur over større kosmiske skalaer. På den ene side postulerede videnskabsmænd eksistensen af ​​mørkt stof og mørk energi for at forene deres observationer med GR.

På den anden side har forskere fremført alternative teorier om tyngdekraft (såsom modificeret Newtonsk dynamik (MOND), modificeret tyngdekraft (MOG) osv.). I mellemtiden har andre foreslået, at der kan være yderligere fysik i kosmos, som vi endnu ikke er klar over.

Som Turyshev fortalte Universe Today via e-mail:"Vi er ivrige efter at udforske spørgsmål omkring mysterierne om mørk energi og mørkt stof. På trods af deres opdagelse i det sidste århundrede forbliver deres underliggende årsager undvigende. Skulle disse 'anomalier' stamme fra ny fysik - fænomener endnu ikke observeret i jordbaserede laboratorier eller partikelacceleratorer - det er muligt, at denne nye kraft kan manifestere sig på en solsystemskala."

Til deres seneste undersøgelse undersøgte Turyshev og hans kolleger, hvordan en række rumfartøjer, der flyver i en tetraedrisk formation, kunne undersøge solens gravitationsfelt. Disse undersøgelser, sagde Turyshev, ville søge efter afvigelser fra forudsigelserne om generel relativitet på solsystemskalaen, noget der ikke har været muligt til dato.

"Disse afvigelser antages at manifestere sig som ikke-nul-elementer i gravitationsgradienttensoren (GGT), grundlæggende beslægtet med en løsning af Poisson-ligningen. På grund af deres minimale natur kræver det at detektere disse afvigelser præcision, der langt overgår strømkapaciteten - med mindst fem ordener På et sådant øget niveau af nøjagtighed vil talrige velkendte effekter introducere betydelig støj. /P>

Missionen, sagde Turyshev, ville anvende lokale måleteknikker, der er afhængige af en række interferometre. Dette inkluderer interferometrisk laserafstandsmåling, en teknik demonstreret af Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) missionen, et rumfartøjspar, der er afhængig af laserafstandsmåling til at spore Jordens oceaner, gletsjere, floder og overfladevand. Den samme teknik vil også blive brugt til at undersøge gravitationsbølger af den foreslåede rumbaserede Laser Interferometry Space Antenna (LISA).

Rumfartøjet vil også være udstyret med atominterferometre, som bruger atomernes bølgekarakter til at måle faseforskellen mellem atomstofbølger langs forskellige veje. Denne teknik vil gøre det muligt for rumfartøjet at detektere tilstedeværelsen af ​​ikke-gravitationsstøj (thrusteraktivitet, solstrålingstryk, termiske rekylkræfter osv.) og ophæve dem i den nødvendige grad. I mellemtiden vil flyvning i en tetraedrisk formation optimere rumfartøjets evne til at sammenligne målinger.

"Laserafstandsmåling vil give os meget nøjagtige data om afstande og relative hastigheder mellem rumfartøjer," sagde Turyshev. "Ydermere vil dens exceptionelle præcision give os mulighed for at måle rotationen af ​​en tetraederformation i forhold til en inertiereferenceramme (via Sagnac observables), en opgave, der ikke kan opnås på nogen anden måde. Følgelig vil dette etablere en tetraederformation, der udnytter en række lokale mål."

I sidste ende vil denne mission teste GR på den mindste skala, som har manglet hårdt til dato. Mens videnskabsmænd fortsætter med at undersøge virkningen af ​​gravitationsfelter på rumtiden, har disse stort set været begrænset til at bruge galakser og galaksehobe som linser. Andre forekomster omfatter observationer af kompakte objekter (som hvide dværgstjerner) og supermassive sorte huller (SMBH) som Skytten A* – som befinder sig i midten af ​​Mælkevejen.

"Vi sigter mod at øge præcisionen af ​​test af GR og alternative gravitationsteorier med mere end fem størrelsesordener. Ud over dette primære mål har vores mission yderligere videnskabelige mål, som vi vil detaljere i vores efterfølgende artikel. Disse omfatter test af GR og andre gravitationsmæssige mål. teorier, detektering af gravitationsbølger i mikro-Hertz-området – et spektrum, der ikke kan nås af eksisterende eller forudsete instrumenter – og udforskning af aspekter af solsystemet, såsom den hypotetiske Planet 9, blandt andre bestræbelser."

Flere oplysninger: Slava G. et al., Søgning efter ny fysik i solsystemet med tetraedriske rumfartøjsformationer. Fysisk gennemgang D (2024) journals.aps.org/prd/accepted/ … ee5be88d58bf89a046a3

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang D

Leveret af Universe Today