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 marco . 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 mi) de altitud, cruzando directamente sobre los polos.
El satélite fue lanzado el 20 de abril de 2004 en un cohete Delta II . [4] La fase de vuelo espacial duró hasta; [5] Su objetivo era medir la curvatura del espacio-tiempo cerca de la Tierra y, por lo tanto, el tensor de tensión-energía (que está relacionado con la distribución y el movimiento de la materia en el espacio) en la Tierra y cerca de ella. Esto proporcionó una prueba de la relatividad general , el 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 trama esperado fue similar en magnitud al nivel de ruido actual (el ruido estaba dominado por efectos inicialmente no modelados debido a recubrimientos no uniformes en los giroscopios). El trabajo continuó para modelar y dar cuenta de estas fuentes de error, lo que permitió la extracción de la señal de arrastre de trama., el efecto de arrastre de cuadros se había confirmado dentro del 15% del resultado esperado, [6] y el El informe de la NASA indicó que se confirmó que el efecto geodésico era mejor que el 0,5 %. [7]
En un artículo publicado en la revista Physical Review Letters en, los autores informaron que el análisis de los datos de los cuatro giroscopios arroja una tasa de deriva geodésica de−6 601,8 ± 18,3 mas / año y una tasa de deriva por arrastre de marco 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. [8]
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, después del exitoso lanzamiento de Gravity Probe A (GP-A) en.
Los planes de la misión consistían en poner a prueba dos predicciones no verificadas de la relatividad general: el efecto geodésico y el arrastre de marco . Esto se lograría midiendo, con mucha precisión, pequeños cambios en la dirección de giro de cuatro giroscopios contenidos en un satélite terrestre que orbitaba a 650 km (400 mi) de altitud, cruzando directamente sobre los polos. Se pretendía que los giroscopios estuvieran tan libres de perturbaciones que proporcionarían un sistema de referencia espacio-temporal casi perfecto . Esto les permitiría revelar cómo el espacio y el tiempo se "deforman" por la presencia de la Tierra, y en qué medida la rotación de la Tierra "arrastra" el espacio-tiempo consigo.
El efecto geodésico es un efecto causado por la "curvatura" del espacio-tiempo debido a la masa de la Tierra. El eje de un giroscopio, cuando se transporta en 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 la "inclinación" del giroscopio hacia 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 gravitatorio de la Tierra. Este cono se hace cortando una "porción de tarta" delgada de un círculo y pegando los bordes cortados. La precesión geodésica espacial es una medida del ángulo de la "porción de tarta" faltante. Se esperaba que Gravity Probe B midiera este efecto con una precisión de una parte en 10.000, la comprobación más estricta de las predicciones relativistas generales hasta la fecha.
El efecto de arrastre de marco, mucho más pequeño, es un ejemplo de gravitomagnetismo . Es un análogo del magnetismo en la electrodinámica clásica , pero causado por masas rotatorias en lugar de cargas eléctricas rotatorias. Anteriormente, solo se habían publicado dos análisis de los datos de medición de distancia por láser obtenidos por los dos satélites LAGEOS eny, afirmó haber encontrado el efecto de arrastre de trama con una precisión de alrededor del 20% y el 10% respectivamente, [9] [10] [11] mientras que Gravity Probe B tenía como objetivo medir el efecto de arrastre de trama con una precisión del 1%. [12] Un análisis reciente de los datos de Mars Global Surveyor ha afirmado haber confirmado el efecto de arrastre de trama con una precisión del 0,5%, aunque la precisión de esta afirmación es discutida. [13]
El lanzamiento estaba previsto paraEl lanzamiento se realizó en la base aérea de Vandenberg, pero se canceló a los 5 minutos de la ventana de lanzamiento programada debido a los vientos cambiantes en la atmósfera superior. 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. PDT ( UTC ) la nave espacial fue lanzada con éxito. El satélite fue colocado en órbita a lasSOY (UTC) después de un período de crucero sobre el polo sur y un segundo encendido breve. La misión duró 16 meses.
Algunos resultados preliminares se presentaron en una sesión especial durante la reunión de la Sociedad Estadounidense de Física enLa NASA solicitó inicialmente una propuesta para extender la fase de análisis de datos del GP-B a través deLa fase de análisis de datos se amplió aún más parautilizando fondos de Richard Fairbank , Stanford y la NASA, y más allá de ese punto utilizando solo fondos no provenientes de la NASA. [6] Los resultados científicos finales se informaron en.
El experimento Gravity Probe B comprendía cuatro giroscopios de momento London 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 giro también apuntando hacia IM Pegasi, los efectos de arrastre de marco y geodésicos surgían en ángulos rectos, y cada giroscopio medía ambos.
Los giroscopios se alojaron en un recipiente dewar lleno de helio superfluido , manteniendo una temperatura inferior a 2 kelvin (−271 °C ; −456 °F ). Se requerían 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 fabricados (dos giroscopios aún mantienen ese récord, pero el tercer puesto lo han ocupado las esferas de silicio fabricadas por el proyecto Avogadro ). Aproximadamente del tamaño de pelotas de ping pong , eran perfectamente redondos con una precisión de cuarenta átomos (menos de 1000).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 solo 2,4 m (8 pies) de altura. [15] Las esferas estaban hechas de cuarzo fundido y recubiertas con una capa extremadamente delgada de niobio . Una preocupación principal era minimizar cualquier influencia en su giro, por lo que los giroscopios nunca podrían 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 superconductora de niobio con SQUIDs . (Un superconductor giratorio genera un campo magnético alineado con precisión con el eje de rotación; consulte el momento de London ).
IM Pegasi fue elegida como estrella guía por múltiples razones. En primer lugar, tenía que ser lo suficientemente brillante como para poder ser utilizada en observaciones. Además, debía estar cerca de las posiciones ideales cerca del ecuador celeste . También era importante que su movimiento en el cielo fuera bien comprendido, 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 cuásares distantes tomadas durante varios años para comprender su movimiento con la precisión necesaria.
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 Estados Unidos eny posteriormente discutido por Leonard Schiff ( Stanford ) enpor sugerencia de Pugh, basada en parte en un artículo teórico sobre la detección del arrastre de cuadros que Schiff había escrito enSe le propuso a la NASA en, y apoyaron el proyecto con fondos enEsta subvención finalizó endespués de una larga fase de investigación de ingeniería sobre los requisitos y herramientas básicos para el satélite.
EnLa 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 transbordador a uno basado en el Delta 2, y enTambién se cancelaron las pruebas previstas de un prototipo en un vuelo de transbordador.
Gravity Probe B marca la primera vez que la Universidad de Stanford tiene 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. [16]
Esta es una lista de los principales eventos del experimento GP-B.
EnSe anunció que se habían recibido varias señales inesperadas y que sería necesario separarlas antes de que se pudieran publicar los resultados finales.Se anunció que los ejes de giro de los giroscopios se vieron afectados por el par de torsión, de una manera que varió con el tiempo, lo que requirió un análisis más profundo para permitir que los resultados se corrigieran por 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 arrastre de cuadros presentados en laEn una reunión de la Sociedad Americana de Física, los errores aleatorios fueron mucho mayores que el valor esperado teórico y se dispersaron tanto en el lado positivo como en el negativo de un resultado nulo, lo que generó escepticismo en cuanto a 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 se habían controlado antes del experimento, posteriormente se descubrió que la capa final del recubrimiento de 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 del marco esperado. Además, disipó energía del movimiento de polhodas al inducir corrientes en los electrodos de la carcasa, lo que provocó que el movimiento cambiara con el tiempo. Esto significaba que un modelo de polhodas simple de promedio temporal era insuficiente y se necesitaba un modelo detallado órbita por órbita para eliminar el efecto. Como se anticipó que "todo 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 para, para exacerbar cualquier problema potencial. Estos datos resultaron invaluables para identificar los efectos. Con el torque electrostático modelado como una función de la desalineación del eje y el movimiento de polhoda modelado a un nivel suficientemente fino, se esperaba aislar los torques de relatividad a la resolución esperada originalmente.
Stanford aceptó publicar los datos brutos en una fecha futura no especificada. 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 al GP-B pueden diferir de los resultados oficiales, pueden pasar varios años más hasta que se comprendan por completo todos los datos recibidos por el GP-B. [ necesita actualización ]
Un panel de 15 expertos encargado de la NASA recomendó no extender la fase de análisis de datos más allá deAdvirtieron que la reducción requerida en el nivel de ruido (debido a los pares clásicos y las interrupciones en la recopilación de datos debido a las erupciones solares) "es tan grande que cualquier efecto detectado en última instancia por este experimento tendrá que superar un escepticismo considerable (y en nuestra opinión, bien justificado) en la comunidad científica". [22]
La financiación y el patrocinio del programa por parte de la NASA finalizaron el, pero GP-B consiguió financiación alternativa de la Ciudad Rey Abdulaziz para la Ciencia y la Tecnología en Arabia Saudita [6] que permitió al equipo científico continuar trabajando al menos hasta. EnSe celebró en Stanford la 18ª reunión del Comité Asesor Científico externo del GP-B para informar sobre los avances.
El grupo de análisis con sede en Stanford y la NASA anunciaron elque los datos de GP-B confirman de hecho las dos predicciones de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. [23] Los hallazgos fueron publicados en la revista Physical Review Letters . [8] Las perspectivas de una mayor medición experimental del arrastre de marco después de GP-B fueron comentadas en la revista Europhysics Letters . [24]
