Przez przeszło trzy lata satelity okrążały Ziemię, zbierając dane, które miały pomóc określić, czy dwa założenia ogólnej teorii względności Einsteina są poprawne. W sobotę podczas spotkania w amerykańskim Towarzystwie Fizycznym w Jacksonville na Florydzie profesor Francis Everett, fizyk z Uniwersytetu w Stanford i główny badacz w misji Gravity Probe B prowadzonej we współpracy z NASA i Lockhead Martin, przedstawił pierwsze dane, które pokażą, czy teoria Einsteina została potwierdzona przez badania prowadzone przez najbardziej zaawansowane orbitujące laboratorium.



"Gravity Probe B było dla nas wszystkich wielką naukową przygodą i jesteśmy wdzięczni NASA za długoterminowe wsparcie", powiedział Everitt. "Moi koledzy i ja zaprezentowaliśmy pierwsze wyniki 14 i 15 kwietnia. Fascynującym jest móc oglądać einsteinowskie zakrzywienia czasoprzestrzeni bezpośrednio przez żyroskopy GP-B - które są ponad milion razy lepsze niż nieważkie żyroskopy nawigacyjne".

Satelita GP-B został wyniesiony na orbitę w kwietniu 2004 roku. W ciągu roku zebrał on bardzo wiele danych, które zespół naukowców bada już od ponad 18 miesięcy. Satelita został zaprojektowany jako kosmiczne laboratorium używające jedynie czterech ultradokładnych żyroskopów, mające bezpośrednio sprawdzić dwa założenia zawarte w ogólnej teorii względności. Jednym z rezultatów jest stwierdzenie, jak Ziemia ze swoją masą zakrzywia czasoprzestrzen, w której się znajduje. Innym wynikiem jest określenie, jak bardzo obracająca się Ziemia hamuje miejscową czasoprzestrzeń znajdującą się wokół niej. Według teorii Einsteina, w ciągu roku geodezyjne zakrzywienie miejscowej czasoprzestrzeni wokół Ziemi powoduje redukcję wirowania każdego, znajdującego się na pokładzie statku kosmicznego, żyroskopu w stosunku do jego początkowej prędkości o kąt równy 0,0018 stopnia. Podobnie wirowanie miejscowej czasoprzestrzeni wokół Ziemi powoduje przesunięcie osi wirowania o jeszcze mniejszy kąt - 0,000011 stopnia - tyle wynosi szerokość ludzkiego włosa oglądanego z odległości 750 metrów - na poziomie ziemskiego równika.

Naukowcy z GP-B chcą ogłosić końcowe wyniki eksperymentu w grudniu 2007 roku, po ośmiu miesiącach analiz danych i ich dokładności. Dzisiaj Everitt i jego zespół dzielą się z nami tym, do czego doszli dotychczas - mianowicie że dane z żyroskopów GP-B wyraźnie potwierdzają przewidziany przez Einsteina skutek geodezyjny z dokładnością większą niż 1 procent. Jednakże skutek wirowania jest 170 razy mniejszy niż skutek geodezyjny i naukowcy z Uniwersytetu w Stanford nadal wyszukują informacje o nim wśród danych pochodzących ze statku kosmicznego. BP-B ma wystarczająco dużą rozdzielczość do tego, aby dokładnie zmierzyć skutek wirowania, ma on jednak mały moment obrotowy i efekty, które muszą zostać dokładnie umodelowane i następnie usunięte z wyniku.

"Uprzedzamy, że zajmie około ośmiu miesięcy szczegółowa analiza danych, aby poznać pełną dokładność instrumentu i zmniejszyć błąd pomiaru z 0,1 do 0,05 sekundy kątowej rocznie, aż osiągniemy oczekiwaną końcową dokładność lepszą niż 0.005 sekundy kątowej rocznie", powiedział William Bencze, kierownik programu BP-B. "Zrozumienie szczegółów tych danych naukowych wygląda podobnie jak praca przy wykopalisku archeologicznym. Naukowiec rozpoczyna od buldożera, potem bierze łopatę, szufelkę, aż w końcu używa małych akcesoriów dentystycznych i szczoteczek do zębów, aby uprzątnąć kurz ze skarbu. Teraz bierzemy szczoteczki do zębów".



Dwa odkrycia

Podczas analizy danych pochodzących ze znajdującego się na statku kosmicznym zyroskopu dokonano dwóch ważnych odkryć: po pierwsze, ruch żyroskopów był hamowany przez cały czas; po drugie, redukcja wirowania żyroskopów była obarczona małym klasycznym momentem obrotowym. Plamy na powierzchni metalu są dobrze znane w fizyce i były ostrożnie badane przez zespół GP-B podczas projektowania eksperymentu, aby ograniczyć skutki ich działania. Choć wcześniej dołożono staran, aby wyzerować mikroskopijne zjawiska zewnętrzne, na wirnikach GP-B powstały plamy o dostatecznej wielkości, aby mogły one oddziaływać na żyroskopy.

Ruch żyroskopu jest podobny do pospolitego "drgania" słabo rzuconej amerykańskiej piłki futbolowej, choć wygląda on różnie w przypadku ultrasferycznych żyroskopów GP-B. W chwili gdy oczekiwano, że drganie będzie miało stały przebieg w ciągu całej misji, okazało się, że owo drganie ulega zmianie w ciągu zaledwie minut w wyniku utraty energii, co jest efektem współdziałania wirnika i osadzających się elektrostatycznych plam. Drżenie komplikuje pomiar efektów względności poprzez zestawienie różnego natężenia drgań w czasie z danymi.

Elektrostatyczne plamy powodują także powstawanie w żyroskopach małego momentu obrotowego, szczególnie gdy oś symetrii pojazdu kosmicznego nie jest zszeregowana z redukcją wirowania żyroskopu. Moment obrotowy powoduje redukcję wirowania żyroskopów, co prowadzi do zmiany orientacji i w pewnych okolicznościach efekt może wyglądać podobnie do sygnału względności miary GP-B. Na szczęście odchylenia powstałe dzięki momentom obrotowym mają dokłądną relację geometryczną z nieprawidłowym ustawieniem sztucznego wirowania/symetrii osi pojazdu i mogą zostać usunięte z danych bez bezpośredniego oddziaływania na pomiar względności.

Obydwa odkrycia musiały zostać zbadane, dokładnie umodelowane i ostrożnie sprawdzone w zestawieniu z danymi doświadczalnymi, zanim mogły zostać usunięte jako źródła błędu. Te dodatkowe badania przeciągnęły analizę danych o ponad rok i obecnie prace nadal są w toku. Do dnia dzisiejszego zespół naukowców poczynił pod tym względem ogromne postępy, co potwierdza niezależna Naukowa Komisja Konsultacyjna, kierowana przez relatywistycznego fizyka Clifforda Willa z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w St Louis w USA, która to komisja od 10 lat monitoruje każdy aspekt GP-B.

W dodatku do momentu dostarczenia na spotkaniu Towarzystwa Fizycznego pierwszego opisu rezultatów doświadczalnych, zespół GP-B udostępnił archiwum surowych danych doświadczalnych. Dane te zostaną następnie udostępnione podczas imprezy National Space Sciences Data Center organizowanej w czerwcu w Centrum Lotów Kosmicznych NASA.

Opracowany w 1959 roku przez profesorów Leonarda Schiffa, Williama Fairbanka i Roberta Cannona z Uniwersytetu w Stanford i sfinansowany w 1964 roku przez NASA program GP-B jest najdłuższym bieżącym programem badawczym z dziedziny fizyki. Mimo, iż eksperyment jest prosty w pojęciu - wykorzystuje on gwiazdy, teleskop i wirujące kule - zajął on już ponad cztery dekady i pochłonął 760 milionów dolarów, które poszły na zaprojektowanie i wyprodukowanie wszystkich niezbędnych technologii pozwalających przenieść satelitę GP-B na wyrzutnię, a następnie przeprowadzić ten "prosty" eksperyment i analizować dane. 20 kwietnia 2004 roku GP-B został wyniesiony w przestrzeń z bazy sił powietrznych Vanderberg Base w Kalifornii. Po czteromiesięcznej inicjacji i dalszej kontroli na orbicie, podczas której cztery żyroskopy zostały zamontowane i wprawione w ruch obrotowy z prędkością 4000 obr/min, a sztuczne redukcje wirowania zostały zszeregowane z gwiazdą przewodnika, IM Pegasi, eksperyment oficjalnie został rozpoczęty. Przez 50 tygodni, od sierpnia 2004 do sierpnia 2005, przetransferował do Centrum Operacji Misyjnych GP-B ponad terabajt danych doświadczalnych. "Jeden z najbardziej zaawansowanych satelitów, statek kosmiczny GP-B, spisał się w tym czasie znakomicie, tak samo jak zespół Centrum Operacji Misyjnych GP-B, w skład którego wchodzą naukowcy i inżynierowie z Uniwersytetu w Stanford a także z NASA i z Lockheed Martina", powiedział profesor Emeritus Bradford Parkinson z Uniwersytetu w Stanford, główny badacz współpracujący z Johnem Turneaure i Danielem DeBra, również pracownikami Uniwersytetu. Gromadzenie danych zakończono 29 sierpnia 2005 roku, kiedy hel w zbiorniku statku kosmicznego wyczerpał się. Wówczas zespół GP-B zajął się analizą danych.

W ciągu 47 lat działania GP-B przesunął do przodu granice wiedzy, co wymagało wkładu pracy 79 doktorujących studentów z Uniwersytetu w Stanford (a także 13 innych studentów z innych uniwersytetów), 15 studentów w stopniu mistrza, a także setek innych studentów i dziesiątek szkół średnich pracujących nad tym projektem. Na dodatek GP-B dał początek wielu nowym technologiom, wliczając w to żyroskopy płytowe i sztuczny system zawieszenia o nazwie SQUID, sztuczny system odzyskiwania informacji, ultraprecyzyjny teleskop, kriogeniczny pojemnik na ciekły hel i porowatą wtyczkę, mikroambicjoner i system ustalania orbity. Wszystkie te technologie były potrzebne do przeprowadzenia eksperymentu, żadna z nich jednak nie istniałą w 1959 roku, kiedy eksperyment został podjęty. Ponadto niektóre technologie zaprojektowane na Uniwersytecie w Stanford i użyte w GP-B, takie jak porowata wtyczna kontrolująca wypływ helu ze zbiornika, znalazły zastosowanie w innych eksperymentach NASA, takich jak COBE (który otrzymał nagrodę Nobla w 2006 roku), WMAP i Teleskop Kosmiczny Spitzer.

Końcowy wynik eksperymentu ma zostać opublikowany w grudniu 2007 roku po zakończeniu analizy danych. Poproszony o końcowy komentarz, profesor Everitt powiedział: "Zawsze bądź podejrzliwy wobec wiadomości, którą chcesz usłyszeć".

Stanford University
Tłumaczenie: Ivellios