Galileosatellitter beviser Einsteins relativitetsteori til højeste nøjagtighed endnu

Europas Galileo satellitnavigationssystem - der allerede betjener brugere globalt - har nu leveret en historisk service til fysiksamfundet verden over, muliggøre den mest nøjagtige måling nogensinde af, hvordan ændringer i tyngdekraften ændrer tiden, et centralt element i Einsteins teori om generel relativitet.

To europæiske grundlæggende fysikteam, der arbejder parallelt, har uafhængigt af hinanden opnået en femdoblet forbedring i måling af nøjagtigheden af ​​den tyngdekraft-drevne tidsudvidelseseffekt, kendt som 'gravitationsrødforskydning'.

Den prestigefyldte Fysisk gennemgangsbreve journal har netop offentliggjort de uafhængige resultater opnået fra begge konsortier, indsamlet fra mere end tusind dage med data hentet fra parret Galileo -satellitter i aflange baner.

"Det er enormt tilfredsstillende for ESA at se, at vores oprindelige forventning om, at sådanne resultater teoretisk set var mulig, nu er blevet bekræftet i praksis, leverer den første rapporterede forbedring af gravitationsrødforskydningstesten i mere end 40 år, "kommenterer Javier Ventura-Traveset, Leder af ESA's Galileo Navigation Science Office.

"Disse ekstraordinære resultater er blevet mulig takket være de unikke egenskaber ved Galileo -satellitterne, især de meget høje stabilitet af deres indbyggede atomure, de nøjagtigheder, der kan opnås i deres kredsløbsbestemmelse og tilstedeværelsen af ​​laser-retroreflektorer, som muliggør udførelse af uafhængige og meget præcise kredsløbsmålinger fra jorden, nøgle til at fjerne ur og kredsløb fejl. "

Disse parallelle forskningsaktiviteter, kendt som GREAT (Galileo gravitational Redshift Experiment with excentrical sATellites), blev ledet henholdsvis af SYRTE Observatoire de Paris i Frankrig og Tysklands ZARM Center for Applied Space Technology og Microgravity, koordineret af ESA's Galileo Navigation Science Office og understøttet gennem dets grundlæggende aktiviteter.

Glade resultater fra en ulykkelig ulykke

Disse fund er det lykkelige resultat af en ulykkelig ulykke:tilbage i 2014 blev Galileo -satellitterne 5 og 6 strandet i forkerte baner af en funktionsdygtig Soyuz -øverste etape, blokerer deres brug til navigation. ESA's flyvekontrollører gik i gang, udføre en vovet bjærgning i rummet for at hæve lavpunkterne i satelliternes kredsløb og gøre dem mere cirkulære.

Når satellitterne havde udsigt til hele jordskiven, kunne deres antenner låses på deres hjemverden, og deres navigationsnyttelast kunne faktisk tændes. Satellitterne er i dag i brug som en del af Galileos eftersøgnings- og redningstjenester, mens deres integration som en del af de nominelle Galileo -operationer i øjeblikket er under endelig vurdering af ESA og Europa -Kommissionen.

Imidlertid, deres baner forbliver elliptiske, med hver satellit, der klatrer og falder omkring 8500 km to gange om dagen. Det var disse regelmæssige højdeforskydninger, og derfor tyngdekraften hvilket gjorde satellitterne så værdifulde for forskerholdene.

Genopretter Einsteins forudsigelse

Albert Einstein forudsagde for et århundrede siden, at tiden ville gå langsommere tæt på en massiv genstand, et fund, der siden er blevet verificeret eksperimentelt flere gange-mest markant i 1976, da et hydrogenmaser-atomur på Gravity Probe-A suborbitalraketten blev affyret 10 000 km ud i rummet, bekræfter Einsteins forudsigelse inden for 140 dele pr. million.

Faktisk, atomure ombord på navigationssatellitter skal allerede tage højde for, at de løber hurtigere op i kredsløb end ned på jorden - svarende til et par tiendedele af et mikrosekund om dagen, hvilket ville resultere i navigationsfejl på omkring 10 km dagligt, hvis ikke korrigeret.

De to hold stolede på den stabile tidtagning af de passive hydrogenmaser (PHM) ure ombord på hver Galileo - stabil til ét sekund på tre millioner år - og holdt sig fra at drive af det verdensomspændende Galileo -jordsegment.

"Det faktum, at Galileo -satellitterne bærer passive hydrogenmaserure, var afgørende for at opnå disse nøjagtigheder, "bemærkede Sven Hermann ved University of Bremen's ZARM Center for Applied Space Technology and Microgravity.

"Mens hver Galileo -satellit bærer to rubidium- og to hydrogenmaserure, kun en af ​​dem er det aktive transmissionsur. I vores observationsperiode, vi fokuserer derefter på de perioder, hvor satellitterne sendte med PHM -ure, og vurderer kvaliteten af ​​disse værdifulde data meget omhyggeligt. Løbende forbedringer i behandlingen og især i modelleringen af ​​ure, kan føre til strammere resultater i fremtiden. "

Forfining af resultaterne

En central udfordring i løbet af tre års arbejde var at forfine gravitationsmæssige rødforskydningsmålinger ved at eliminere systematiske effekter såsom urfejl og orbitaldrift på grund af faktorer som Jordens ækvatoriale bule, påvirkning af Jordens magnetfelt, temperaturvariationer og endda det subtile, men vedvarende skub i selve sollyset, kendt som 'solstrålingstryk'.

"Omhyggelig og konservativ modellering og kontrol af disse systematiske fejl har været afgørende, med stabilitet ned til fire picosekunder i satelliternes 13 timers orbitale periode; dette er fire milliontedele af en milliontedel af et sekund, "Pacôme Delva fra SYRTE Observatoire de Paris.

"Dette krævede støtte fra mange eksperter, med især ESA's ekspertise takket være deres kendskab til Galileo -systemet. "

Præcis satellitsporing blev aktiveret af International Laser Ranging Service, skinnende lasere op til Galileos 'reflekser til centimeterskala orbitalkontrol.

Der blev også modtaget større støtte fra Navigation Support Office baseret på ESAs ESOC -operationscenter i Tyskland, hvis eksperter genererede referencestabile ur- og kredsløbsprodukter til de to Galileo excentriske satellitter og også fastslog de resterende fejl i banerne efter lasermålingerne.