Sonda de gravedad B
Gravity Probe B (GP-B) fue un experimento basado en satélites para probar dos predicciones no verificadas de la relatividad general: el efecto geodésico y el arrastre de cuadros. Esto se lograría midiendo, con mucha precisión, pequeños cambios en la dirección de giro de cuatro giroscopios contenidos en un satélite en órbita terrestre a 650 km (400 millas) de altitud, cruzando directamente sobre los polos.
El satélite fue lanzado el 20 de abril de 2004 en un cohete Delta II. La fase de vuelos espaciales duró hasta ; Su objetivo era medir la curvatura del espacio-tiempo cerca de la Tierra y, por tanto, el tensor tensión-energía (que está relacionado con la distribución y el movimiento de la materia en el espacio) dentro y cerca de la Tierra. Esto proporcionó una prueba de relatividad general, gravitomagnetismo y modelos relacionados. El investigador principal fue Francis Everitt.
Los resultados iniciales confirmaron el efecto geodésico esperado con una precisión de aproximadamente el 1%. El efecto de arrastre de fotograma esperado fue similar en magnitud al nivel de ruido actual (el ruido estuvo dominado por efectos inicialmente no modelados debido a recubrimientos no uniformes en los giroscopios). Se continuó trabajando para modelar y dar cuenta de estas fuentes de error, permitiendo así la extracción de la señal de arrastre de fotogramas. Para , el efecto de arrastre de cuadros se había confirmado dentro del 15% del resultado esperado, y el
En un artículo publicado en la revista Physical Review Letters en , los autores informaron que el análisis de los datos de los cuatro giroscopios da como resultado una tasa de deriva geodésica de −6601.8±18,3 mas/yr y una tasa de deriva de arrastre de fotogramas de −37,2±7,2 mas/año, en buen acuerdo con las predicciones de la relatividad general de −6 606.1±0,28% mas/año y −39,2±0,19% mas/ año, respectivamente.
Descripción general
Gravity Probe B fue un experimento de giroscopio de relatividad financiado por la NASA. Los esfuerzos fueron liderados por el departamento de física de la Universidad de Stanford, con Lockheed Martin como subcontratista principal. Los científicos de la misión lo consideraron como el segundo experimento de relatividad en el espacio, tras el exitoso lanzamiento de la Gravity Probe A (GP-A) en .
Los planes de la misión eran probar dos predicciones no verificadas de la relatividad general: el efecto geodésico y el arrastre de fotogramas. Esto se lograría midiendo, con mucha precisión, pequeños cambios en la dirección de giro de cuatro giroscopios contenidos en un satélite terrestre en órbita a 650 km (400 millas) de altitud, cruzando directamente sobre los polos. Se pretendía que los giroscopios estuvieran tan libres de perturbaciones que proporcionaran un sistema de referencia espacio-temporal casi perfecto. Esto les permitiría revelar cómo el espacio y el tiempo están "deformados" por la presencia de la Tierra y por cuánto “arrastra” la rotación de la Tierra; espacio-tiempo con él.
El efecto geodésico es un efecto causado por la "curva" del espacio-tiempo. por la masa de la Tierra. El eje de un giroscopio, cuando se transporta paralelo alrededor de la Tierra en una revolución completa, no termina apuntando exactamente en la misma dirección que antes. El ángulo "faltante" puede considerarse como el grado en que el giroscopio se “inclina” hacia arriba. en la pendiente de la curvatura del espacio-tiempo. Una explicación más precisa de la parte de la curvatura espacial de la precesión geodésica se obtiene utilizando un cono casi plano para modelar la curvatura espacial del campo gravitacional de la Tierra. Este tipo de cono se elabora cortando una fina porción de pastel. de un círculo y pegando los bordes cortados. La precesión geodésica espacial es una medida de la "porción circular" ángulo. Se esperaba que Gravity Probe B midiera este efecto con una precisión de una parte en 10.000, la verificación más estricta de las predicciones relativistas generales hasta la fecha.
El efecto de arrastre de fotogramas, mucho más pequeño, es un ejemplo de gravitomagnetismo. Es un análogo del magnetismo en la electrodinámica clásica, pero causado por masas en rotación en lugar de cargas eléctricas en rotación. Anteriormente, sólo dos análisis de los datos de alcance láser obtenidos por los dos satélites LAGEOS, publicados en y , afirmaban haber encontrado el efecto de arrastre de fotogramas con una precisión de aproximadamente 20% y 10% respectivamente, mientras que Gravity Probe B tenía como objetivo medir el efecto de arrastre del marco con una precisión del 1%. Sin embargo, Lorenzo Iorio afirmó que probablemente se ha subestimado mucho el nivel de incertidumbre total de las pruebas realizadas con los dos satélites LAGEOS. Un análisis reciente de los datos de Mars Global Surveyor afirmó haber confirmado el efecto de arrastre del marco con una precisión del 0,5%, aunque la exactitud de esta afirmación es discutible. También se ha investigado recientemente el efecto Lense-Thirring del Sol con vistas a una posible detección con los planetas interiores en un futuro próximo.
El lanzamiento estaba planeado para el en la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg, pero se canceló dentro de los 5 minutos de la ventana de lanzamiento programada debido a los vientos cambiantes en la parte superior. atmósfera. Una característica inusual de la misión es que solo tuvo una ventana de lanzamiento de un segundo debido a la órbita precisa requerida por el experimento. El PDT ( UTC) la nave espacial fue lanzada con éxito. El satélite fue puesto en órbita a las AM ( UTC) después de un período de crucero sobre el polo sur y una breve segunda combustión. La misión duró 16 meses.
Algunos resultados preliminares se presentaron en una sesión especial durante la reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en . Inicialmente, la NASA solicitó una propuesta para extender la fase de análisis de datos del GP-B hasta . La fase de análisis de datos se extendió hasta utilizando financiación de Richard Fairbank, Stanford y la NASA, y más allá de ese punto utilizando únicamente financiación ajena a la NASA. Los resultados científicos finales se informaron en .
Configuración experimental
El experimento Gravity Probe B estuvo compuesto por cuatro giroscopios de momento de Londres y un telescopio de referencia apuntado a IM Pegasi, una estrella binaria en la constelación de Pegaso. En órbita polar, con las direcciones de giro del giroscopio también apuntando hacia IM Pegasi, los efectos geodésicos y de arrastre de cuadros se produjeron en ángulos rectos, y cada giroscopio midió ambos.
Los giroscopios estaban alojados en un recipiente dewar de helio superfluido, manteniendo una temperatura inferior a 2 kelvin (-271 °C; -456 °F). Se requirieron temperaturas cercanas al cero absoluto para minimizar la interferencia molecular y permitir que los componentes de plomo y niobio de los mecanismos del giroscopio se volvieran superconductores.
En el momento de su fabricación, los giroscopios eran los objetos más esféricos jamás creados (dos giroscopios todavía ostentan ese récord, pero el tercer lugar lo han ocupado las esferas de silicio fabricadas por el proyecto Avogadro). Aproximadamente del tamaño de pelotas de ping pong, eran perfectamente redondas, con una precisión de cuarenta átomos (menos de 10 nm). Si una de estas esferas se escalara al tamaño de la Tierra, las montañas más altas y la fosa oceánica más profunda medirían sólo 2,4 m (8 pies) de altura. Las esferas estaban hechas de cuarzo fundido y recubiertas con una capa extremadamente fina de niobio. Una preocupación principal era minimizar cualquier influencia en su giro, de modo que los giroscopios nunca pudieran tocar su compartimento contenedor. Se mantuvieron suspendidos con campos eléctricos, se hicieron girar usando un flujo de gas helio y sus ejes de giro se detectaron monitoreando el campo magnético de la capa de niobio superconductor con SQUID. (Un superconductor giratorio genera un campo magnético alineado con precisión con el eje de rotación; consulte el momento de Londres).
IM Pegasi fue elegida como estrella guía por múltiples razones. En primer lugar, tenía que ser lo suficientemente brillante como para poder utilizarlo en avistamientos. Entonces estuvo cerca de las posiciones ideales cerca del ecuador celeste. También fue importante su conocido movimiento en el cielo, a lo que contribuyó el hecho de que esta estrella emite señales de radio relativamente fuertes. En preparación para la configuración de esta misión, los astrónomos analizaron las mediciones de posición basadas en radio con respecto a quásares muy distantes tomadas durante varios años para comprender su movimiento con la precisión necesaria.
Historia
El diseño conceptual de esta misión fue propuesto por primera vez por un profesor del MIT, George Pugh, que trabajaba con el Departamento de Defensa de EE. UU. en y posteriormente discutido por Leonard Schiff (Stanford) en por sugerencia de Pugh, basado en parte en un artículo teórico sobre la detección del arrastre de fotogramas que Schiff había escrito en . Se propuso a la NASA en , y ellos apoyaron el proyecto con fondos en . Esta subvención finalizó en después de una larga fase de investigación de ingeniería sobre los requisitos y herramientas básicos del satélite.
En la NASA cambió los planes para el transbordador espacial, lo que obligó al equipo de la misión a cambiar de un diseño de lanzamiento basado en un transbordador a uno basado en el Delta 2, y en También se cancelaron las pruebas previstas de un prototipo en un vuelo de lanzadera.
Gravity Probe B marca la primera vez que la Universidad de Stanford ha tenido el control del desarrollo y las operaciones de un satélite espacial financiado por la NASA.
El coste total del proyecto fue de unos 750 millones de dólares.
Cronología de la misión
Esta es una lista de los eventos más importantes del experimento GP-B.
- Lanzamiento del GP-B de Vandenberg AFB y la inserción exitosa en órbita polar.
- GP-B entró en su fase científica. En el día de la misión 129 se configuraron todos los sistemas para estar listos para la recopilación de datos, con la única excepción siendo el giro 4, que necesitaba mayor alineación del eje giratorio.
- La fase científica de la misión terminó y los instrumentos de naves espaciales pasaron al modo final de calibración.
- La fase de calibración terminó con helio líquido todavía en la dewar. La nave espacial fue devuelta al modo científico mientras no se agota el helio líquido.
- Fase I del análisis de datos completa
- El equipo de análisis se dio cuenta de que era necesario realizar más análisis de errores (en particular alrededor del movimiento de polhode de los giros) que en el momento de hacerlo y aplicada a la NASA para ampliar la financiación hasta el final de .
- Finalización de la fase III del análisis de datos
- Anuncio de los mejores resultados obtenidos hasta la fecha. Francisco Everitt dio una charla plenaria en la reunión de la Sociedad Física Americana anunciando los resultados iniciales: "Los datos de los giroscopios GP-B confirman claramente el efecto geodésico predicho de Einstein a una precisión superior al 1%. Sin embargo, el efecto de tracción de marcos es 170 veces menor que el efecto geodésico, y los científicos de Stanford todavía están extrayendo su firma de los datos de la nave espacial".
- La nave espacial GP-B se desmanteló, izquierda en su órbita polar de 642 km (399 mi).
- Se anunciaron resultados experimentales finales del GP-B. En un evento público de prensa y medios de comunicación en la sede de la NASA, el investigador principal del GP-B, Francis Everitt presentó los resultados finales de Gravity Probe B.
- Publicación del volumen especial GP-B (volumen #32, número #22) en la revista revisada por pares, Gravidad clásica y cuántica.
El , se anunció que se habían recibido varias señales inesperadas y que sería necesario separarlas antes de que se pudieran conocer los resultados finales. liberado. En se anunció que los ejes de giro de los giroscopios se veían afectados por el par, de una manera que variaba con el tiempo, lo que requería análisis adicionales para permitir corregir los resultados. esta fuente de error. En consecuencia, la fecha de publicación final de los datos se retrasó varias veces. En los datos de los resultados del frame-dragging presentados en la reunión de la Sociedad Estadounidense de Física, los errores aleatorios eran mucho mayores que el valor teórico esperado y estaban dispersos en ambos los lados positivo y negativo de un resultado nulo, lo que genera escepticismo sobre si se podrían extraer datos útiles en el futuro para probar este efecto.
En , se publicó una actualización detallada que explicaba la causa del problema y la solución en la que se estaba trabajando. Aunque se anticiparon los parches electrostáticos causados por el recubrimiento no uniforme de las esferas, y se pensó que habían sido controlados antes del experimento, posteriormente se descubrió que la capa final del recubrimiento en las esferas definía dos mitades de potencial de contacto ligeramente diferente., lo que le dio a la esfera un eje electrostático. Esto creó un par dipolar clásico en cada rotor, de una magnitud similar al efecto de arrastre esperado del marco. Además, disipó la energía del movimiento del polhodo induciendo corrientes en los electrodos de la carcasa, lo que provocó que el movimiento cambiara con el tiempo. Esto significaba que un modelo simple de polhode promedio en el tiempo era insuficiente y se necesitaba un modelo detallado órbita por órbita para eliminar el efecto. Como se anticipó que "cualquier cosa podría salir mal", la parte final de la misión de vuelo fue la calibración, donde, entre otras actividades, se recopilaron datos con el eje de la nave espacial deliberadamente desalineado durante , para exacerbar cualquier problema potencial. Estos datos resultaron invaluables para identificar los efectos. Con el par electrostático modelado en función de la desalineación del eje y el movimiento del polhodo modelado a un nivel suficientemente fino, se esperaba aislar los pares de relatividad a la resolución originalmente esperada.
Stanford acordó hacer públicos los datos brutos en una fecha no especificada en el futuro. Es probable que estos datos sean examinados por científicos independientes y comunicados al público de forma independiente mucho después de la publicación final por parte de los científicos del proyecto. Debido a que las futuras interpretaciones de los datos por parte de científicos ajenos a GP-B pueden diferir de los resultados oficiales, pueden pasar varios años más hasta que todos los datos recibidos por GP-B se comprendan completamente.
Revisión de la NASA
Una revisión realizada por un panel de 15 expertos encargado por la NASA recomendó no extender la fase de análisis de datos más allá de . Advirtieron que la reducción requerida en el nivel de ruido (debido a los pares clásicos y a las interrupciones en la recopilación de datos debido a las erupciones solares) es tan grande que cualquier efecto finalmente detectado por este experimento tendrá que superar una considerable (y en nuestra opinión, bien justificado) escepticismo en la comunidad científica".
Análisis de datos después de la NASA
La financiación y el patrocinio del programa por parte de la NASA finalizaron el , pero GP-B obtuvo financiación alternativa de la ciudad Rey Abdulaziz para la ciencia y la tecnología en Arabia Saudita. eso permitió que el equipo científico continuara trabajando al menos hasta . El , se celebró en Stanford la 18ª reunión del Comité Asesor Científico externo de GP-B para informar sobre los avances. El siguiente informe del SAC a la NASA dice:
The progress reported at SAC-18 was truly extraordinary and we commend the GPB team for this achievement. Esto ha sido un esfuerzo heroico, y ha traído el experimento de lo que parecía un estado de posible fracaso, a una posición donde el SAC ahora cree que obtendrá una prueba creíble de relatividad, incluso si la precisión no cumple con el objetivo original. A juicio de la SAC Chair, este rescate justifica la comparación con la misión de corregir las ópticas defectuosas del Telescopio Espacial Hubble, sólo aquí a una minúscula fracción del costo.
—SAC #18 Report to NASA
El grupo de análisis con sede en Stanford y la NASA anunciaron el que los datos del GP-B efectivamente confirman las dos predicciones de Albert Einstein. s teoría general de la relatividad. Los hallazgos fueron publicados en la revista Physical Review Letters. Las perspectivas de una mayor medición experimental del frame-dragging después de GP-B fueron comentadas en la revista Europhysics Letters.
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