Ο δορυφόρος MICROSCOPE θέτει τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν σε δοκιμή ρεκόρ

Η ισότητα αδρανειακής και βαρυτικής μάζας που είναι κεντρική στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν έχει επιβεβαιωθεί με πρωτοφανείς ευαισθησίες από τον δορυφόρο ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ. Έχοντας συγκεντρώσει δεδομένα επιταχυνσιομέτρου αξίας πολλών χιλιάδων τροχιών από δύο μάζες σε ελεύθερη πτώση γύρω από τη Γη, η γαλλική αποστολή δεν διαπίστωσε παραβίαση της αρχής της ισοδυναμίας στο επίπεδο μερικών μερών στα χίλια τρισεκατομμύρια. Οι επιστήμονες της αποστολής λένε ότι ο καλύτερος έλεγχος του θερμικού και άλλου θορύβου θα μπορούσε να ενισχύσει την ακρίβεια κατά έναν επιπλέον συντελεστή 100, επιτρέποντας έτσι τις δοκιμές των θεωριών κβαντικής βαρύτητας.

Από τότε που δημοσιεύτηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1915, η γενική θεωρία της σχετικότητας έχει περάσει μια σειρά από πειραματικά τεστ με ιπτάμενα χρώματα – από την εκτροπή του ηλιακού φωτός των αστεριών έως τη βαρυτική ερυθρή μετατόπιση των ατομικών ρολογιών. Αλλά οι φυσικοί θεωρούν τη θεωρία ως ελλιπή επειδή έρχεται σε αντίθεση με την κβαντομηχανική, ενώ τα φαινόμενα της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας παραμένουν ανεξήγητα. Οι ερευνητές θα ήθελαν επίσης να ενοποιήσουν τη βαρύτητα με τις άλλες τρεις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις της φύσης – τον ​​ηλεκτρομαγνητισμό και τις ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις.

Ένας τρόπος αναζήτησης νέων φορέων δυνάμεων που προβλέπονται από εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας είναι να υποβληθεί η αρχή της ασθενής ισοδυναμίας σε ολοένα και πιο αυστηρές δοκιμές. Αυτή η αρχή δηλώνει ότι η αδρανειακή και η βαρυτική μάζα είναι ισοδύναμες. Επομένως, όλα τα αντικείμενα, ανεξάρτητα από τη μάζα και τη σύστασή τους, θα πρέπει να πέφτουν με τον ίδιο ρυθμό σε ένα βαρυτικό πεδίο εάν δεν υπόκεινται σε άλλες δυνάμεις – όπως διακυμάνσεις στην πίεση του αέρα. (Η ισχυρή εκδοχή της αρχής είναι πιο στιβαρή επειδή λαμβάνει επίσης υπόψη τα αποτελέσματα της αυτο-βαρύτητας, η οποία γίνεται σημαντική για μεγάλα αντικείμενα.)

αναλογία Eötvös

Από τον Galileo Galilei, οι πειραματιστές διερευνούν την αρχή της ισοδυναμίας με αυξανόμενη ευαισθησία. Η μέτρηση που χρησιμοποιείται στις σύγχρονες δοκιμές είναι η αναλογία Eötvös, η οποία συγκρίνει τις επιταχύνσεις δύο μαζών δοκιμής ελεύθερης πτώσης και είναι μηδέν εάν αυτές οι επιταχύνσεις είναι ίσες. Το 2008, Έρικ Αντελμπέργκερ και οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ των Η.Π.Α., χρησιμοποίησαν μια περιστρεφόμενη στρέψη ζυγαριά για να λάβουν μια αναλογία Eötvös μηδέν στο επίπεδο περίπου 2 μερών σε 10¹³. Ενώ δέκα χρόνια αργότερα, οι ερευνητές στο Παρατηρητήριο του Παρισιού στη Γαλλία άντλησαν δεδομένα ακτίνας λέιζερ σχεδόν 50 ετών – αναζητώντας μικροσκοπικές παραλλαγές στην τροχιά της Σελήνης στη Γη – και επιβεβαίωσαν την αρχή της ισοδυναμίας με ακρίβεια περίπου 7×10^-14.

Η ιδέα πίσω από το MICROSCOPE ήταν να βελτιωθεί περαιτέρω η ακρίβεια αξιοποιώντας τις αρετές της ύπαρξης σε τροχιά της Γης – το γεγονός ότι οι μετρήσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν για μεγάλες χρονικές περιόδους και χωρίς επίγειες παρεμβολές όπως ο σεισμικός θόρυβος. Η αποστολή περιελάμβανε παρακολούθηση της σχετικής επιτάχυνσης δύο ομόκεντρων κοίλων κυλίνδρων κατασκευασμένων από διαφορετικά κράματα –ο ένας αποτελούμενος από τιτάνιο και αλουμίνιο και ο άλλος πλατίνα και ρόδιο– καθώς ταξίδευαν σε συνεχή ελεύθερη πτώση. Το έκανε χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια για την παρακολούθηση τυχόν αποκλίσεων στην κίνηση των κυλίνδρων και στη συνέχεια εφαρμόζοντας μια μικροσκοπική τάση για να ρυθμίσετε τους κυλίνδρους σε ευθεία – με διακυμάνσεις σε αυτήν την εφαρμοζόμενη τάση που παρέχουν το σήμα για τυχόν παραβιάσεις της αρχής της ισοδυναμίας.

Η αποστολή MICROSCOPE ύψους 140 εκατομμυρίων ευρώ εκτοξεύτηκε το 2016 από τη γαλλική διαστημική υπηρεσία CNES σε συνεργασία με ερευνητές στη Γερμανία, την Ολλανδία και το Ηνωμένο Βασίλειο. Τοποθετημένος σε μια σχεδόν πολική τροχιά με περίοδο περίπου 1.5 ώρας, ο δορυφόρος απέδωσε ένα αρχικό σύνολο δεδομένων – που δημοσιεύτηκε το 2017 – από μόλις 120 τροχιές. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα μια κατά προσέγγιση βελτίωση της τάξης του μεγέθους σε σχέση με την τότε ευαισθησία ρεκόρ – ωθώντας την αβεβαιότητα στη μηδενική τιμή του λόγου Eötvös σε περίπου 2 μέρη σε 10¹⁴.

Πολύ περισσότερα δεδομένα

Η συνεργασία MICROSCOPE δημοσίευσε τώρα το πλήρες σύνολο δεδομένων της αποστολής, που αποκτήθηκαν σε διάστημα πέντε μηνών εντός της διάρκειας ζωής της αποστολής των 2.5 ετών (ο δορυφόρος, που βρίσκεται ακόμα σε τροχιά, θα καεί τελικά στην ατμόσφαιρα της Γης). Έχοντας τουλάχιστον μια τάξη μεγέθους περισσότερα δεδομένα από ό,τι πριν από πέντε χρόνια, μερικά από τα οποία προήλθαν από σύγκριση αναφοράς μεταξύ δύο κυλίνδρων κατασκευασμένων από το ίδιο υλικό (πλατίνα), οι ερευνητές κατάφεραν να μειώσουν την αβεβαιότητα σχετικά με την αναλογία Eötvös σε περίπου τέσσερις μέρη σε 10¹⁵ – και βρίσκοντας ότι είναι ακόμη μηδέν. Αυτό δεν είναι τόσο ακριβές όσο ήλπιζαν - ήθελαν να φτάσουν ένα μέρος στο 10¹⁵ – αλλά παρόλα αυτά αντιπροσωπεύει μια περαιτέρω βελτίωση στην ακρίβεια κατά περίπου πέντε φορές.

Ωστόσο, οι επιστήμονες που δεν συμμετείχαν στην αποστολή καλωσορίζουν τα νέα αποτελέσματα Άννα Νόμπιλη του Πανεπιστημίου της Πίζας στην Ιταλία είναι δύσπιστος ότι η ακρίβεια είναι τόσο υψηλή όσο αναφέρεται. Επισημαίνει ότι η μεγαλύτερη πηγή συστηματικού σφάλματος είναι ο θερμικός θόρυβος, που προκύπτει από τις διαβαθμίσεις της θερμοκρασίας που δημιουργούνται από διακυμάνσεις στο άμεσο και ανακλώμενο ηλιακό φως που φτάνει στο διαστημόπλοιο. Σημειώνει ότι με τον δορυφόρο ήδη σε τροχιά, ο μόνος τρόπος να μειωθούν οι επιπτώσεις αυτού του θορύβου μεταξύ των δύο εκδόσεων δεδομένων ήταν να βελτιωθεί η μοντελοποίησή του. Αλλά το βρίσκει «δεν είναι απολύτως πειστικό» ότι το μόντελινγκ θα μπορούσε να είχε επιτύχει την απαραίτητη μείωση – συντελεστή έξι.

Ωστόσο, ο Nobili εκτιμά ότι το MICROSCOPE δείχνει τις «τεράστιες δυνατότητες του χώρου» για δοκιμές πολύ υψηλής ακρίβειας της αρχής της ισοδυναμίας. Συγκεκριμένα, υποστηρίζει ότι η αποστολή καταδεικνύει τη σημασία της περιστροφής ενός διαστημικού σκάφους με υψηλούς ρυθμούς για την αύξηση της συχνότητας οποιουδήποτε σήματος παραβίασης σε επίπεδα όπου ο θερμικός θόρυβος είναι γνωστό ότι είναι χαμηλότερος. (Σημειώνει ότι ο δορυφόρος προοριζόταν να περιστρέφεται έως και πέντε φορές την τροχιακή του συχνότητα, αλλά κατέληξε να περιστρέφεται 17.5 φορές πιο γρήγορα.)

Περαιτέρω μείωση θορύβου

Το μέλος της συνεργασίας MICROSCOPE Joel Bergé του Université Paris Saclay λέει ότι αυτός και οι συνάδελφοί του εργάζονται τώρα σε μια μεγαλύτερη αποστολή παρακολούθησης που ονομάζεται MICROSCOPE 2, την οποία δεν έχουν προτείνει ακόμη σε καμία διαστημική υπηρεσία, αλλά η οποία θα μπορούσε να εκτοξευτεί «στο δεύτερο μισό του τη δεκαετία του 2030». Λέει ότι ο νέος δορυφόρος θα ενσωματώνει πολλές αλλαγές για τη μείωση του θορύβου, συμπεριλαμβανομένης της αντικατάστασης ενός χρυσού σύρματος που χρησιμοποιείται για την αφαίρεση της ανεπιθύμητης φόρτισης από τη μάζα δοκιμής με ένα ασύρματο σύστημα που περιλαμβάνει διόδους εκπομπής υπεριώδους φωτός. Τέτοιες αλλαγές, ισχυρίζεται, θα μπορούσαν να μειώσουν την αβεβαιότητα της μέτρησης σε περίπου ένα μέρος στο 10¹⁷.

Κλίφορντ Γουίλ, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα στις ΗΠΑ, πιστεύει ότι η εμπειρία που αποκτήθηκε με την αρχική αποστολή θα δώσει στους ερευνητές του MICROSCOPE «μια καλή βάση για τη μετάβαση στην έκδοση 2.0». Λέει ότι δεν είναι σε θέση να κρίνει την αξιοπιστία των 10 που προβάλλονται^-17 αβεβαιότητα, αλλά επισημαίνει ότι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που εργάζονται σε μια προτεινόμενη αποστολή γνωστή ως STEP υποστήριξαν ότι η επίτευξη αυτού του επιπέδου ακρίβειας θα απαιτούσε την ψύξη του δορυφόρου σε κρυογονικές θερμοκρασίες - κάτι που δεν προβλέπεται για το ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ 2.

Η έρευνα περιγράφεται σε εργασίες που δημοσιεύτηκαν στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης και σε έναν ειδικό τεύχος of Κλασική και κβαντική βαρύτητα.