MIKROSKOP-satellitten sætter Einsteins generelle relativitetsteori på en rekordstor test

Ligheden mellem inerti og gravitationsmasse, der er central for Einsteins generelle relativitetsteori, er blevet bekræftet med hidtil usete følsomheder af MICROSCOPE-satellitten. Efter at have indsamlet flere tusinde baners accelerometerdata fra to masser i frit fald rundt om Jorden, har den franske mission ikke fundet nogen krænkelse af ækvivalensprincippet på niveau med nogle få dele i tusind billioner. Missionsforskere siger, at bedre kontrol af termisk og anden støj kunne øge præcisionen med en yderligere faktor på 100, så det tillader test af kvante-tyngdekraftsteorier.

Siden den blev udgivet af Albert Einstein i 1915, har den generelle relativitetsteori bestået et væld af eksperimentelle tests med flyvende farver – fra Solens afbøjning af stjernelys til atomurenes gravitationelle rødforskydning. Men fysikere betragter teorien som ufuldstændig, fordi den er i modstrid med kvantemekanikken, mens fænomenerne mørkt stof og mørk energi forbliver uforklarlige. Forskere vil også gerne forene tyngdekraften med naturens tre andre grundlæggende vekselvirkninger – elektromagnetisme og de stærke og svage kernekræfter.

En måde at jage efter nye kraftbærere forudsagt af alternative teorier om tyngdekraft er at udsætte det svage ækvivalensprincip for stadig mere alvorlige tests. Dette princip siger, at inerti og gravitationsmasse er ækvivalente. Derfor bør alle genstande, uanset deres masse og sammensætning, falde med samme hastighed i et gravitationsfelt, hvis de ikke udsættes for andre kræfter - såsom variationer i lufttrykket. (Den stærke version af princippet er mere robust, fordi den også tager højde for virkningerne af selvgravitation, som bliver vigtig for store objekter.)

Eötvös forhold

Lige siden Galileo Galilei har eksperimentalister undersøgt ækvivalensprincippet med stigende følsomhed. Metrikken, der bruges i moderne test, er Eötvös-forholdet, som sammenligner accelerationerne af to fritfaldende testmasser og er nul, hvis disse accelerationer er ens. I 2008 Erik Adelberger og kolleger ved University of Washington i Seattle, USA, brugte en roterende torsionsbalance til at opnå et Eötvös-forhold på nul på niveauet omkring 2 dele i 10¹³. Mens ti år senere forskerne ved Paris Observatory i Frankrig trak på næsten 50 års laserafstandsdata – på udkig efter små variationer i Månens kredsløb om Jorden – og bekræftede ækvivalensprincippet med en præcision på omkring 7×10^-14.

Idéen bag MICROSCOPE var at forbedre præcisionen yderligere ved at udnytte fordelene ved at være i kredsløb om Jorden – det faktum, at målinger kan udføres over lange perioder og uden terrestrisk interferens såsom seismisk støj. Missionen involverede overvågning af den relative acceleration af to koncentriske hule cylindre lavet af forskellige legeringer - den ene bestående af titanium og aluminium og den anden platin og rhodium - mens de rejste i kontinuerligt frit fald. Det gjorde den ved at bruge elektroder til at overvåge eventuelle afvigelser i cylindrenes bevægelse og derefter påføre en lille spænding for at rette cylindrene – med variationer i denne påførte spænding, der giver signalet for eventuelle overtrædelser af ækvivalensprincippet.

MICROSCOPE-missionen på 140 mio. EUR blev lanceret i 2016 af Frankrigs CNES-rumagentur i samarbejde med forskere i Tyskland, Holland og Storbritannien. Placeret i et næsten polært kredsløb med en periode på omkring 1.5 time, gav satellitten et indledende datasæt - offentliggjort i 2017 - fra kun 120 kredsløb. Det resulterede i en nogenlunde størrelsesordensforbedring i forhold til den daværende rekordfølsomhed - hvilket skubbede usikkerheden i nulværdien af ​​Eötvös-forholdet ned til omkring 2 dele i 10¹⁴.

Meget mere data

MICROSCOPE-samarbejdet har nu offentliggjort missionens komplette datasæt, erhvervet i løbet af det, der svarer til fem måneder inden for dens 2.5-årige missions levetid (satellitten, der stadig er i kredsløb, vil til sidst brænde op i Jordens atmosfære). Med mindst en størrelsesorden flere data end for fem år siden, hvoraf nogle kom fra en referencesammenligning mellem to cylindre lavet af samme materiale (platin), har forskerne været i stand til at reducere usikkerheden på Eötvös-forholdet til omkring fire dele i 10¹⁵ – og finde det stadig at være nul. Det er ikke så præcist, som de håbede – de ønskede at nå én del ud af 10¹⁵ – men repræsenterer ikke desto mindre en yderligere forbedring af præcisionen med omkring en faktor fem.

Forskere, der ikke er involveret i missionen, hilser de nye resultater dog velkommen Anna Nobili fra universitetet i Pisa i Italien er skeptisk over, at præcisionen er så høj som angivet. Hun påpeger, at den største kilde til systematiske fejl er termisk støj, der er et resultat af temperaturgradienter, der er sat op af variationer i direkte og reflekteret sollys, der når rumfartøjet. Hun bemærker, at med satellitten allerede i kredsløb, var den eneste måde at reducere virkningerne af denne støj mellem de to dataudgivelser på at forbedre modelleringen af ​​den. Men hun finder det "ikke helt overbevisende", at modelleringen kunne have opnået den nødvendige reduktion - en faktor seks.

Ikke desto mindre mener Nobili, at MICROSCOPE viser "rummets enorme potentiale" for meget høj præcisionstest af ækvivalensprincippet. Hun hævder især, at missionen demonstrerer vigtigheden af ​​at dreje et rumfartøj ved høje hastigheder for at øge frekvensen af ​​ethvert overtrædelsessignal til niveauer, hvor termisk støj vides at være lavere. (Hun bemærker, at satellitten var beregnet til at spinde med op til fem gange dens orbitale frekvens, men endte med at dreje 17.5 gange hurtigere.)

Yderligere støjreduktion

MICROSCOPE-samarbejdsmedlem Joel Bergé fra Université Paris Saclay siger, at han og hans kolleger nu arbejder på en større opfølgningsmission kaldet MICROSCOPE 2, som de endnu ikke har foreslået nogen rumfartsorganisation, men som kan opsendes "i anden halvdel af 2030'erne”. Han siger, at den nye satellit ville inkorporere flere ændringer for at reducere støj, herunder udskiftning af en guldtråd, der bruges til at fjerne uønsket ladning fra testmassen, med et trådløst system, der involverer ultraviolette lysemitterende dioder. Sådanne ændringer, hævder han, kan reducere måleusikkerheden til omkring en del ud af 10¹⁷.

Clifford Will, en teoretiker ved University of Florida i USA, mener, at erfaringerne med den indledende mission vil give MICROSCOPE-forskerne "et godt grundlag for at flytte til version 2.0". Han siger, at han ikke er i stand til at bedømme troværdigheden af ​​deres forventede 10^-17 usikkerhed, men påpeger, at forskere ved Stanford University, der arbejder på en foreslået mission kendt som STEP, hævdede, at det ville nødvendiggøre, at satellitten blev kølet ned til kryogene temperaturer for at nå dette præcisionsniveau - noget der ikke var forudset for MIKROSKOP 2.

Forskningen er beskrevet i artikler udgivet i Physical Review Letters og en specialudgave of Klassisk og kvantetyngdekraft.