MICROSCOPE-mission præsenterer den mest præcise test af generelle relativiteter Svagt ækvivalensprincip

I nye undersøgelser offentliggjort i Physical Review Letters og et særligt nummer af Classical and Quantum Gravity den 14. september præsenterer et team af forskere den mest præcise test endnu af det svage ækvivalensprincip, en nøglekomponent i teorien om generel relativitet. Rapporten beskriver de endelige resultater fra MICROSCOPE-missionen, som testede princippet ved at måle accelerationer af fritfaldende objekter i en satellit, der kredser om Jorden. Holdet fandt ud af, at accelerationerne af par af objekter ikke afveg mere end omkring en del ud af 10 ¹⁵ udelukker enhver overtrædelse af det svage ækvivalensprincip eller afvigelser fra den nuværende forståelse af generel relativitet på det niveau.

"Vi har nye og meget bedre begrænsninger for enhver fremtidig teori, fordi disse teorier ikke må krænke ækvivalensprincippet på dette niveau," siger Gilles Métris, en videnskabsmand ved Côte d'Azur Observatory og medlem af MICROSCOPE-teamet.

Teorien om generel relativitet, udgivet af Albert Einstein i 1915, beskriver, hvordan tyngdekraften virker og forholder sig til tid og rum. Men fordi det ikke tager højde for observationerne af kvantefænomener, leder forskerne efter afvigelser fra teorien ved stigende præcisionsniveauer og i forskellige situationer. Sådanne krænkelser ville foreslå nye interaktioner eller kræfter, der kunne forene relativitetsteori med kvantefysik. At teste Weak Equivalence Principle (WEP) er en måde at lede efter potentielle udvidelser til generel relativitetsteori.

Ifølge WEP falder objekter i et gravitationsfelt på samme måde, når ingen andre kræfter virker på dem, selvom de har forskellige masser eller sammensætninger. For at teste princippet designede MICROSCOPE-teamet deres eksperiment til at måle Eötvös-forholdet - som relaterer accelerationerne af to fritfaldende objekter - til en ekstrem høj præcision. Hvis accelerationen af ​​et objekt adskiller sig fra den andens med mere end ca. én del i 10 ¹⁵ , ville eksperimentet måle det og opdage denne krænkelse af WEP.

For at måle Eötvös-forholdet overvågede forskerne accelerationerne af testmasser af platin og titanlegeringer, da de kredsede om Jorden i MICROSCOPE-satellitten. Det eksperimentelle instrument brugte elektrostatiske
kræfter til at holde par af testmasser i samme position i forhold til hinanden og ledte efter potentielle forskelle i disse kræfter, hvilket ville indikere forskelle i objekternes accelerationer.

En stor udfordring ved eksperimentet var at finde måder at teste instrumentet på Jorden for at sikre, at det ville fungere som designet i rummet. "Vanskeligheden er, at det instrument, vi lancerer, ikke kan fungere på jorden," siger Manuel Rodrigues, en videnskabsmand ved det franske rumfartslaboratorium ONERA og medlem af MICROSCOPE-teamet. "Så det er en slags blindtest."

Da instrumentet var klar, lancerede holdet det i 2016. De udgav foreløbige resultater i 2017, men de fortsatte med at analysere dataene, idet de tog højde for fejl og systematiske usikkerheder, efter missionen sluttede i 2018. De fandt i sidste ende ingen overtrædelse af WEP , der sætter de strengeste begrænsninger for princippet endnu.

Holdets arbejde baner vejen for endnu mere præcise test af WEP'et med satelliteksperimenter. Deres analyse inkluderer måder at forbedre den eksperimentelle opsætning på, som at reducere krakeleringer i satellitbelægningen, der påvirkede accelerationsmålinger, og udskiftning af ledninger i opsætningen med kontaktløse enheder. Et satelliteksperiment, der implementerer disse opgraderinger, burde være i stand til at måle potentielle overtrædelser af WEP på niveau med én del ud af 10 ¹⁷ , siger forskerne. Men MIKROSKOP-resultaterne vil sandsynligvis forblive de mest præcise begrænsninger på WEP i et stykke tid.

"I mindst et årti eller måske to ser vi ingen forbedring med et rumsatelliteksperiment," siger Rodrigues. + Udforsk yderligere

Galileos eksperiment med frit faldende objekter består rumtest, hvilket yderligere beviser ækvivalensprincippet