Два апарата с ексцентрична орбита правят пробив в науката
Два европейски навигационни спътника, изстреляни през 2014 г. в погрешна орбита, направиха възможно ползването им по предназначение и дори много повече – това да проверят истинността на теорията на относителността на Айнщайн.
Специалистите от Центъра за приложни космически технологии и микрогравитация в Бремен и Парижката обсерватория възнамеряват да проследят положението на двата спътника на орбита, като сравнят часовниците на Земята и на спътниците „Галилео-5“ и „Галилео-6“.
Навигационните спътници „Галилео-5“ и „Галилео-6“ са изстреляни на 22 август 2014 г. от компанията „Арианспейс“ с руска ракета-носител „Союз“. 35 минути след старта апаратите не излезли на планираната орбита. Като причина се посочва проблем в ускорителния блок Фрегат-МТ, възникнал заради замръзване на ракетното гориво хидразин. Изведените на нецелева орбита апарати Galileo са признати от ESA за негодни за навигация. По-късно специалистите от ESA успели да повишат долната точка на орбитата на първия спътник с 3500 км и да я направят по-малко разтеглена. Европейските специалисти и досега не са изоставили опитите да изведат спътниците на целеви орбити. Заради проблем със захранването на ускорителния блок на ракетата сателитите не достигат планираната кръгова орбита на височина 23 000 километра. Вместо това те се позиционират в елиптична орбита, чиято височина варира два пъти дневно между 17 000 и 25 000 километра. Това ги прави нефункционални за мисията на европейската навигационна система „Галилео“, която има за цел да конкурира американската GPS.
Промяната във височината обаче дава възможност да се тества т.нар. гравитационно червено отместване в теорията на относителността на Айнщайн.
Гравитационно червено отместване (gravitational redshift) е гравитационното забавяне на времето – физично явление, заключаващо се в различния ход на часовниците в присъствието на гравитационен потенциал. Сложността на това възприятие идва от обстоятелството, че в теорията на гравитацията времевата координата обикновено не съвпада с физическото време, измервано със стандартен атомен часовник. При различни гравитационни потенциали времето протича различно. Алберт Айнщайн пръв предрича този ефект в своята теория на относителността през 1907 г.
Такова отместване на светлината било забелязано на 29 май 1919 г., пише Айзък Азимов. Той пояснява, че в близост до затъмненото Слънце обикновено могат да се видят някои по-ярки звезди, чиито лъчи сякаш се плъзгат покрай Слънцето. Според теорията на Айнщайн тази светлина, преминавайки покрай Слънцето, трябва да се отклони съвсем малко към него — затова самите звезди сякаш слабо се приближават към слънчевия диск в сравнение с обичайното си положение. Видимите положения на близките до Слънцето звезди били измерени много внимателно първо по време на затъмнението и за втори път половин година след това, когато Слънцето било вече на противоположната страна на небето и не могло да окаже никакво влияние върху светлината на тези звезди. Оказало се, че светлината има поведение, каквото предсказвала теорията на Айнщайн, и това послужило като потвърждение на общата теория на относителността.
През 1976 г. учени изстреляха атомен часовник на височина около 10 000 километра, където гравитацията е по-слаба, отколкото на Земята, и сравниха данните от него с тези от идентичен часовник на повърхността. С експеримента специалистите потвърдиха теоретичните прогнози на Айнщайн с точност от четири десетични позиции.
Сега благодарение на огромното количество данни от „блуждаещите“ спътници айнщайновата теория се потвърди с десет пъти по-голяма точност.
Сега, три години по-късно Европейската космическа агенция съобщава, че спътникова навигационна система „Галилео“, която вече обслужва потребителите в световен мащаб, е изиграла и първата си роля за теоретичната физика. „Галилео“ е позволил най-точното измерване, което някога е правено за това как гравитацията променя времето – ключов елемент от общата теория на относителността на Айнщайн. Двата европейски екипа по фундаментална физика, работещи паралелно, са постигнали независимо петократно подобрение в точността на измерване на ефекта гравитационно червено отместване.
„Изключително удовлетворяващо е ЕКА да съобщи, че практически са потвърдени резултатите, постигнати преди 40 години, коментира потвърдени от практическа гледна точка, осигурявайки първото докладвано подобрение на теста за гравитационно червено изместване за повече от 40 години”, коментира Хавиер Вентура-Травесет, ръководител на Службата по навигация на „Галилео“ в ЕКА. „Тези изключителни резултати станаха възможни благодарение на уникалните характеристики на спътниците на„ Галилео “, а именно на високата стабилност на техните бордови атомни часовници, на точността, която може да се постигне, при определянето на тяхната орбита и на наличието на лазерни инструменти, които позволяват изпълнението на независими и много прецизни измервания“, казва Вентура-Травесет.
Тези паралелни научноизследователски дейности, известни като GREAT (Galileo gravitational Redshift Experiment with eccentric sATellites – гравитационен експеримент за гравитационно червено отместване с ексцентрични сателити), ръководени съответно от обсерваторията в Париж и в германския център на ZARM за приложни космически технологии и микрогравитация, координирана от Научния отдел за навигация на Галилео на ЕКА и подкрепена чрез основните му дейности.
Алберт Айнщайн прогнозира преди един век, че времето ще премине по-бавно в близост до масивен обект, което оттогава е било проверено експериментално няколко пъти – най-съществено през 1976 г., когато беше пуснат водороден атомен часовник на сурбиталната ракета Gravity Probe-A 10 000 км в космоса, потвърждавайки прогнозата на Айнщайн в рамките на 140 части на милион.
Всъщност, атомните часовници на борда на навигационните спътници трябва вече да вземат под внимание факта, че те се движат по-бързо в орбита, отколкото на земята – отклонението е в размер на няколко десети от микросекунди на ден, което води до грешки в навигацията от около 10 км дневно, ако не се взима под внимание.
Двата екипа анализират данните от пасивните мазерни водородни часовници (passive hydrogen maser – PHM) на борда на всеки спътник от системата „Галилео“.
„Фактът, че спътниците на Галилео носят такива часовници е от съществено значение за постигането на точността“, коментира Свен Херман от Центъра за приложни космически технологии и микрогравитация на Бременския университет.
„Всеки спътник на Галилео има два рубидиеви и два водородни часовника, като данните от само един от тях – онзи, който е активен, се предават. Анализирани са данните, предавани от PHM часовници.
Подобряване на резултатите
Основно предизвикателство е да се елиминират систематичните грешки в часовника и орбитален дрейф, дължащи се на фактори като екваториалните издатини на Земята, влиянието на магнитното поле на Земята, температурните промени и дори и фината, но устойчива сила, упражнявана от слънчевата светлина, известна като „налягане на слънчевата радиация“.
{module [180]}
