Центр космических полетов Маршалла (NASA's Marshall Space Flight Center) и Стэнфордский университет разработали сложный эксперимент названный Гравитационный Зонд B (Gravity Probe B, GP-B), предназначенный для проверки Общей Теории Относительности Эйнштейна. Теория предсказывает, что время и пространство искажаются в присутствии массивных объектов. GP-B станет первой миссией NASA, которая разрешит самый важный вопрос фундаментальной физики.
Описание миссии
Эксперимент включает самые точные в мире гироскопы. Они были разработаны специально для измерения двух различных релятивистских эффектов. Первый из них, геодезический эффект, это предположение о том, что движение мимо массивного объекта вызовет изменение ориентации оси гироскопа. Другой эффект, сдвиг системы координат, заключается в том, что вращающееся массивное тело, такое как Земля, заставляет пространство-время вращаться вокруг самого себя. Этот эффект еще ни разу не измерялся непосредственно.
Любой из этих эффектов будет измерен с исключительной точностью новыми гироскопами. Эти измерения помогут придать четкую форму нашему пониманию теории Эйнштейна. Если результаты, полученные миссией GP-B, не будут противоречить теории относительности, они помогут нам понять феномены черной дыры и эволюции вселенной. Если же результаты будут расходиться с теорией Эйнштейна, то они заставят нас значительно изменить наши научные представления о вселенной.
Релятивистские эффекты
Из теории Эйнштейна следует, что собственное гравитационное поле нашей планеты деформирует структуру пространства-времени в ее окрестностях, причем особенности такой деформации зависят от скорости суточного вращения Земли. Вычисления показывают, что по этой причине гироскопы не смогут поддерживать одну и ту же ориентацию, как это следует из законов классической механики. Вместо этого каждая ось станет очень медленно вращаться вокруг направленного на ведущую звезду луча, очерчивая при этом искривленную поверхность, похожую на гофрированный конус. В течение 13 месяцев космического полета исходная ориентация осей изменится лишь на тысячные доли угловой секунды, однако ученые все же надеются измерить величину этого ничтожного смещения. Ожидается, что величина смещения для геодезического эффекта составит всего 6,614.4 миллиарксекунд, а для эффекта сдвига системы координат еще меньше, около 40.9 миллиарксекунд.
Для иллюстрации величины этих углов приведем следующий пример. Если взобраться на горный склон протяженностью в 100 миль, угол которого составляет 40.9 миллиарксекунд, то высота подъема не превысит одного дюйма.
Наверх
Космический аппарат
Концептуально эксперимент GP-B довольно прост. Телескоп жестко связан с корпусами гироскопов. В полете телескоп постоянно направлен на ведущую звезду. Оси гироскопов выстраиваются на ведущую звезду через смотровое отверстие телескопа. Система считывания показаний измеряет малейшие изменения ориентации оси каждого гироскопа. Изменение положения осей гироскопов служит прямым измерением обоих или одного из исследуемых релятивистских эффектов.
Гироскопы GP-B почти совершенны, поскольку они сводят на нет любые отклонения от правильных показаний, вызванные электрическими или механическими искажениями или воздействиями на гироскоп. GP-B разработан для измерения отклонения осей гироскопов больше чем на 0.5 миллиарксекунд в течении одного года. Согласно законам физики Ньютона, совершенный гироскоп, т.е. гироскоп на который не действуют внешние силы, никогда не сдвинется. В эксперименте GP-B это означает, что если гироскоп однажды вращается соосно с ведущей звездой, он останется в таком положении навсегда. В начале 1960-х доктор Стэнфордского университета Леонард Шифф (Dr. Leonard Schiff), используя Общую Теорию Относительности Эйнштейна, предсказал, что геодезический эффект и эффект сдвига системы координат будут слегка изменять положение орбитального гироскопа (гироорбита) по отношению к ведущей звезде.
Гироскоп GP-B
Все основные компоненты научных приборов миссии (четыре гироскопа, оптический телескоп, крепежный блок) изготовлены из плавленого кварца. Кварц практически не подвержен влиянию изменений температуры, а также не расширяется и не сжимается. Большинство точных деталей приборов миссии, включая корпуса гироскопов, были изготовлены корпорацией Speedring, Куллман, штат Алабама.
Оптический телескоп имеет апертуру в 14 сантиметров. Он будет направлен на ведущую звезду миссии IM Pegasus (HR 8703), которая станет для эксперимента основой системы координат в космосе.
Телескоп
| |
Сосуд Дьюара
|
Техники Центра космических полетов Маршалла сначала изготовили самое современное шлифовальное оборудование, необходимое для создания роторов гироскопов. Инженеры Стэнфорда разработали тонкопленочную технологию для нанесения на роторы сверхпроводящего металлического покрытия из ниобия. Роторы этих гироскопов считаются самыми совершенными сферическими объектами из когда-либо сделанных человеком. Если бы ротор гироскопа был размером с Землю, то самая высокая гора и самая глубокая океанская впадина отличались бы друг от друга всего на 4.88 метров. Эти гироскопы могут номинально фиксировать отклонения равные 0,5 миллиарксекундам в год.
Кварцевый блок
|
Криогенный зонд
|
Аппарат GP-B
|
Комплект приборов миссии GP-B помещен в 2,74-метровый, сигарообразный "Криогенный зонд". Он в свою очередь помещается в большой напоминающий термос "Сосуд Дьюара", содержащий 2,441 литров переохлажденного гелия. Экстремально низкая температура в 1.8 Кельвин необходима для возникновения сверхпроводимости у ниобия, металла, которым покрыты роторы гироскопов. Направление вращающейся оси ротора определяется через магнитный момент, создаваемый вращающимся сверхпроводником.
Переохлажденный или сверхтекучий гелий имеет такую низкую температуру, что молекулярное движение почти полностью остановлено. По мере того, как гелий постепенно отделяется выпариванием в космос, некоторое количество газа будет проходить через специальные клапаны двигателей малой тяги, поддерживая правильную ориентацию аппарата. Для предотвращения вытекания жидкого гелия за счет микрогравитации Земли была изготовлена пористая заглушка. Некоторое количество испаряющегося газообразного гелия будет проникать через эту заглушку, и обеспечивать, во-первых, дополнительное охлаждение для инструмента, а, во-вторых, реактивное топливо для двигателей малой тяги. Внутри сосуда Дьюара, окружающего корпус аппарата, находится защитный кожух из сверхпроводимой свинцовой фольги. Он защищает прибор от помех, создаваемых магнитным полем Земли.
Наверх
Экспедиция
Аппарат GP-B будет запущен 17 апреля 2004 года с военно-воздушной базы в Вандерберге, Калифорния на ракетоносителе Boeing Delta II.
После выхода на полярную орбиту, расположенную на высоте 640 километров от поверхности Земли, GP-B будет делать полный оборот вокруг нашей планеты каждые 97.5 минут. После орбитальной проверки и калибровки, которые продлятся от 40 до 60 дней, последует 13-месячный период сбора данных, а затем еще 2 месяца посленаучной калибровки.
Во время вращения по орбите аппарат будет также вращаться вокруг собственной оси, тем самым практически исключая тепловые эффекты и прочие незначительные воздействия на гироскопы, нерелятивистской природы.
В ходе миссии данные с аппарата будут фиксироваться минимум два раза в день. К 2005 году миссия будет завершена. На обработку и анализ полученных данных потребуется еще один год.
Наверх
Сотрудничество
Руководит миссией Центр космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, а Стэнфордский университет, штат Калифорния, проводит испытания и является генеральным подрядчиком NASA в этом проекте. Стэнфорд отвечает за разработку и сборку научных инструментов, полезной нагрузки и самого космического аппарата, а также руководит работой миссии и анализом данных. Основным субподрядчиком проекта является Lockheed Martin, Пало-Альто, Калифорния, он ответственен за разработку космического аппарата и части основных элементов его полезной нагрузки.
Наверх
Компиляция материала и перевод с английского
© 2004, Кирилл Юдин
