Η αποστολή Gravity Probe B για την επιβεβαίωση της Γενικής Σχετικότητας

Άρθρο, Ιανουάριος 2003

Η αποστολή της NASA και του Πανεπιστημίου Stanford με το όνομα "Gravity Probe B" είναι ο έλεγχος της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας σε δύο τμήματά της. Για την πειραματική εργασία που θα γίνει, δημιουργήθηκε ένας νέος δορυφόρος με μια  μεγάλη σειρά  οργάνων νέων τεχνολογιών που θα εξερευνήσουν τα βασικά θεμέλια του χωρόχρονου. Το διαστημικό σκάφος αναμένεται να ξεκινήσει τέλη Απριλίου του 2003 και είναι από τις λίγες αποστολές της NASA που είναι αφιερωμένες αποκλειστικά σε πειράματα θεμελιώδους φυσικής.

Για την διεξαγωγή του πειράματος, θα τοποθετηθούν τέσσερα γυροσκόπια σε Γήινη τροχιά για να μελετήσουν τη συμπεριφορά τους εκτός της βαρυτικής έλξης. Τα γυροσκόπια θα ελέγξουν με ακρίβεια για τις μικροσκοπικές αλλαγές στην κατεύθυνση της ιδιοπεριστροφής τους, οι οποίες προκαλούνται από την αλληλεπίδρασή τους με τη Γη. Τα γυροσκόπια θα βρίσκονται σε έναν δορυφόρο που θα βρίσκεται σε τροχιά, 650 km περίπου, πάνω από τους γήινους πόλους . Τα γυροσκόπια που θα είναι έτσι ελεύθερα από κάθε παρεμβολή,  θα παράσχουν ένα σχεδόν τέλειο σύστημα μέτρησης για τις επιδράσεις της Γης πάνω σε αυτά. Επίσης θα υπάρχουν SQUID (μια υπεραγώγιμη κβαντική συσκευή συμβολής που μετράει κβαντισμένες τιμές μαγνητικής ροής).

Τα γυροσκόπια του δορυφόρου θα ελέγξουν για δύο φαινόμενα που θα έχουν εκτεταμένες επιπτώσεις στην κατανόησή μας για τη δομή του Σύμπαντος. Το πρώτο πείραμα είναι και το πιο δύσκολο ενώ το δεύτερο (Γεωδαιτικό φαινόμενο) το σχετικά πιο εύκολο.

• Ο στροβιλισμός του χωρόχρονου λόγω περιστροφής της Γης - Ένα περιστρεφόμενο ογκώδες σώμα (σαν τη Γη) στροβιλίζει το χώρο και το χρόνο γύρω της. Ένα γυροσκόπιο που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τη Γη δέχεται μια εξαιρετικά μικρή δύναμη, ακριβώς λόγω αυτού του στροβιλισμού, που τείνει να του προκαλέσει μια κλίση από το επίπεδο της τροχιάς του, εξαιτίας του γεγονότος ότι η Γη το παρασύρει μαζί της. Η δύναμη αυτή ονομάζεται βαρυτομαγνητική (gravitomagnetism) και θα είναι το πρώτο πείραμα, που θα διεξαχθεί στο σκάφος GP-B, ικανό να αισθανθεί αυτή την επίδραση του στροβιλισμού του χωρόχρονου. Θα την μετρήσει δε με ακρίβεια 1%.

• Γεωδαιτικό φαινόμενο - Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν , ο χώρος και ο χρόνος όταν βρίσκονται κοντά σε ένα ογκώδες σώμα είναι στρεβλωμένοι. Σε ένα γυροσκόπιο, που βρίσκεται σε τροχιά κοντά στη Γη, αυτή η διαστρέβλωση (λόγω μάζας της Γης) το οδηγεί σε μια κλίση του άξονα περιστροφής του γυροσκοπίου στο επίπεδο της τροχιάς. Αυτό το φαινόμενο προβλέπεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας να είναι 150 φορές μεγαλύτερη από το σύρσιμο πλαισίων. Το γεωδαιτικό φαινόμενο μετρήθηκε για πρώτη φορά το 1988. Το διαστημικό σκάφος GP-B θα μετρήσει αυτήν την επίδραση με ακρίβεια 1 προς 10.000.

Το σκάφος Gravity Probe B, μετρώντας με πιο τρόπο ο χώρος και ο χρόνος στρεβλώνονται υπό την παρουσία της Γης και πώς η Γήινη περιστροφή στροβιλίζει το χωρόχρονο γύρω της, θα δώσει την ακριβέστερη δοκιμασία των θεωριών του Einstein, που έχουν γίνει μέχρι τώρα. Η ζωή της αποστολής αναμένεται να διαρκέσει περίπου 16 μήνες.

Ένα τεκμήριο αυτής της βαρυτομαγνητικής δύναμης έχει ανιχνευτεί από μια ομάδα αστρονόμων χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις με δορυφόρους ακτίνων-Χ. Για περισσότερες πληροφορίες ανατρέξτε στο άρθρο: "New Observations of Black Holes Confirm General Relativity." 

Πως θα γίνει η μέτρηση της βαρυτομαγνητικής δύναμης

Η σημαντικότερη μέτρηση που θα γίνει είναι αυτή της γωνίας μεταξύ του άξονα περιστροφής των γυροσκοπίων και ενός σταθερού άξονα αναφοράς, που θα δίνεται από ένα αστέρι-οδηγού (μέσω ενός τηλεσκοπίου που θα βρίσκεται επί του σκάφους). Θα καθοριστεί το ποσοστό αλλαγής των κατευθύνσεων περιστροφής των γυροσκοπίων σε σύγκριση με την κατεύθυνση αυτού του αστεριού. Με τη βοήθεια του εξειδικευμένου τηλεσκοπίου καθοδήγησής, το διαστημικό σκάφος θα συνεχίσει να έχει σημείο αναφοράς αυτό το "αστέρι-οδηγό" για σχεδόν ολόκληρη την αποστολή του.

Αλλά δυστυχώς ακόμη και αυτό το αστέρι-οδηγός δεν είναι ένα επαρκές σημείο αναφοράς, γιατί όπως και όλα τα άλλα αντικείμενα στον Κόσμο, τα αστέρια κινούνται, και δεν είναι σταθερά σημεία στον ουρανό. Το αστέρι-οδηγός του πειράματος (όπως όλα τα αστέρια) είναι ελεύθερο να κινηθεί αργά στον ουρανό, και αυτή η κίνηση μπορεί να αγνοηθεί στα πειράματα της Γενικής Σχετικότητας του GP-B.

Στην πραγματικότητα, η Ευρωπαϊκή Διαστημική Αποστολή Hipparcos έχει δείξει ότι κάθε έτος το αστέρι κινείται στον ουρανό 35 milliarcseconds της μοίρας, σχεδόν τόσο όσο και ολόκληρη η σχετιστική βαρυτομαγνητική επίδραση για ένα έτος. Επιπλέον, η αβεβαιότητα αυτής της τιμής είναι μεγαλύτερη από την προοριζόμενη ακρίβεια των δοκιμών της σχετικότητας από το GP-B. Έτσι ήταν αναγκαία κάποια άλλη μέθοδος για να μετρήσει την κίνηση του αστεριού-οδηγού.

Η λύση σε αυτό το πρόβλημα ήταν να επιλεχτεί ένα αστέρι που να εκπέμπει όχι μόνο φως που μπορεί να παρατηρηθεί με το τηλεσκόπιο του διαστημικού σκάφους GP-B, αλλά και μικροκύματα ραδιοθορύβων που να μπορούν να καταγραφούν από τις μεγάλες αστρονομικές ραδιοκεραίες επικοινωνίας στο έδαφος. Έτσι επιλέχτηκε το άστρο IM Pegasi που είναι ένας αστερισμός που εύκολα γίνεται ορατός τα φθινοπωρινά βράδια σε όλη τη Βόρεια Αμερική, την Ευρώπη, και την Ασία.

Το Pegasi είναι μόλις ορατό με γυμνό μάτι κάτω όμως από πολύ σκοτεινό και καθαρό ουρανό, αλλά όταν παρατηρείται στην περιοχή μικροκυμάτων, αυτό το αστέρι είναι συχνά μεταξύ των φωτεινότερων στον ουρανό. Ο μικροκυματικός θόρυβος που προέρχεται από αυτό το αστέρι συλλαμβάνεται από τα συμβολόμετρα  very-long-baseline interferometry (VLBI), ώστε να μετρηθεί η ακριβής θέση του αστεριού σε σύγκριση με διάφορα κβάζαρ, που βρίσκονται κοντά στο άστρο στον ουρανό. Τα κβάζαρ είναι γαλαξίες με μια σχεδόν αστρική εμφάνιση. Το θαυμάσιο πράγμα για αυτά τα κβάζαρ είναι ότι ακόμα κι αν είναι αρκετά μακριά είναι ιδανικά σημεία αναφοράς για τις δοκιμές σχετικότητας. Επίσης εκπέμπουν τόσο πολλή ραδιοενέργεια μικροκυμάτων που εμφανίζονται στις κεραίες να είναι μεταξύ των φωτεινότερων αντικειμένων στον ουρανό, σε πολλές περιπτώσεις ακόμα και φωτεινότερο από το αστέρι-οδηγό.

Αν συνδυαστούν μαζί πολλές μετρήσεις (στη Γη και στο σκάφος) θα καθορίσουν το μέσο ποσοστό αλλαγής των κατευθύνσεων της περιστροφής των γυροσκοπίων, με αφορά το απόμακρο Σύμπαν.

Στις 18 Ιουνίου 1976 είχε πετάξει ένα διαστημικό σκάφος, το Gravity Probe A, που είχε εξετάσει για πρώτη φορά τη δομή του χωρόχρονου. Είναι γνωστό σε πολλούς επιστήμονες, σαν το "Πείραμα του Ρολογιού" ή το "Πείραμα της Ερυθρής Μετατόπισης (Red Shift)". Στο πείραμα GP-A έγιναν πειράματα για να δοκιμάσουν την ισχύ της Αρχής Ισοδυναμίας του Einstein.