MICROSCOPE-satelliitti testaa Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennätyksellisen kokeen

MICROSCOPE-satelliitti on vahvistanut Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian keskeisen inertia- ja gravitaatiomassan yhtäläisyyden ennennäkemättömällä herkkyydellä. Kerättyään useiden tuhansien kiertoratojen kiihtyvyysmittarin dataa kahdelta vapaassa pudotuksessa Maan ympärillä olevasta massasta, ranskalainen operaatio ei ole löytänyt ekvivalenssiperiaatteen rikkomista muutaman osan tuhannesta biljoonasta tasolla. Mission tutkijat sanovat, että lämmön ja muun melun parempi hallinta voisi lisätä tarkkuutta vielä 100-kertaiseksi, mikä mahdollistaa kvanttigravitaatioteorioiden testaamisen.

Siitä lähtien, kun Albert Einstein julkaisi sen vuonna 1915, yleinen suhteellisuusteoria on läpäissyt joukon kokeellisia kokeita väreillä – Auringon tähtien valon poikkeamisesta atomikellojen painovoiman punasiirtymään. Mutta fyysikot pitävät teoriaa epätäydellisenä, koska se on ristiriidassa kvanttimekaniikan kanssa, kun taas pimeän aineen ja pimeän energian ilmiöt jäävät selittämättömiksi. Tutkijat haluaisivat myös yhdistää painovoiman luonnon kolmen muun perusvuorovaikutuksen – sähkömagnetismin sekä vahvojen ja heikkojen ydinvoimien – kanssa.

Yksi vaihtoehtoisten painovoimateorioiden ennustama tapa metsästää uusia voimankantajia on altistaa heikko ekvivalenssiperiaate yhä ankarammille kokeille. Tämä periaate sanoo, että inertia- ja painovoimamassat ovat ekvivalentteja. Siksi kaikkien esineiden, niiden massasta ja koostumuksesta riippumatta, tulisi pudota samalla nopeudella gravitaatiokentässä, jos niihin ei kohdistu muita voimia, kuten ilmanpaineen vaihteluita. (Periaatteen vahva versio on robustimpi, koska se ottaa huomioon myös itsepainovoiman vaikutukset, mikä tulee tärkeäksi suurille esineille.)

Eötvösin suhde

Galileo Galileista lähtien kokeilijat ovat tutkineet ekvivalenssiperiaatetta yhä herkemmin. Nykyaikaisissa testeissä käytetty mittari on Eötvös-suhde, joka vertaa kahden vapaasti putoavan testimassan kiihtyvyyttä ja on nolla, jos kiihtyvyydet ovat yhtä suuret. Vuonna 2008, Eric Adelberger ja kollegat Washingtonin yliopistosta Seattlessa, Yhdysvalloissa, käyttivät pyörivää vääntövaakaa saadakseen Eötvös-suhteen nolla tasolla noin 2 osaa 10:ssä.¹³. Kymmenen vuotta myöhemmin Ranskan Pariisin observatorion tutkijat hyödynsivät lähes 50 vuoden laseretäisyysdataa – etsivät pieniä muunnelmia Kuun maapallon kiertoradalla – ja vahvistivat ekvivalenssiperiaatteen noin 7 × 10 tarkkuudella.^-14.

MICROSCOPE:n ideana oli parantaa tarkkuutta edelleen hyödyntämällä Maan kiertoradalla olemisen hyveitä – sitä, että mittaukset voidaan suorittaa pitkiä aikoja ja ilman maanpäällisiä häiriöitä, kuten seismisen melua. Tehtävässä seurattiin kahden samankeskisen onton sylinterin suhteellista kiihtyvyyttä, jotka oli valmistettu eri seoksista – toinen titaanista ja alumiinista ja toinen platinasta ja rodiumista – niiden kulkiessa jatkuvassa vapaassa pudotuksessa. Se teki sen käyttämällä elektrodeja tarkkailemaan mahdollisia poikkeamia sylinterien liikkeessä ja kohdistamalla sitten pientä jännitettä sylinterien asettamiseksi suoriksi – tämän syötetyn jännitteen vaihtelut antavat signaalin mahdollisista ekvivalenssiperiaatteen rikkomuksista.

140 miljoonan euron MICROSCOPE-operaation käynnisti vuonna 2016 Ranskan avaruusjärjestö CNES yhteistyössä Saksan, Hollannin ja Iso-Britannian tutkijoiden kanssa. Asetettuna lähes polaariselle kiertoradalle noin 1.5 tunnin aikana, satelliitti tuotti vuonna 2017 julkaistun alustavan datajoukon vain 120 kiertoradalta. Tämä johti suurin piirtein suuruusluokkaan parannukseen silloiseen ennätysherkkyyteen verrattuna – painoi Eötvös-suhteen nolla-arvon epävarmuuden noin 2 osaan 10:ssä.¹⁴.

Paljon enemmän dataa

MICROSCOPE-yhteistyö on nyt julkaissut operaation täydellisen tietojoukon, joka on hankittu viidessä kuukaudessa sen 2.5 vuoden mittaisen elinkaaren aikana (satelliitti, joka on edelleen kiertoradalla, palaa lopulta maan ilmakehässä). Tutkijat ovat pystyneet vähentämään Eötvös-suhteen epävarmuuden noin neljään, koska heillä on vähintään suuruusluokkaa enemmän tietoa kuin viisi vuotta sitten, joista osa on peräisin kahden samasta materiaalista (platina) tehdyn sylinterin vertailusta. osat 10:ssä¹⁵ – ja sen edelleen olevan nolla. Se ei ole niin tarkkaa kuin he toivoivat – he halusivat saavuttaa yhden osan kymmenestä¹⁵ – mutta silti tarkkuuden parannus noin viisinkertaiseksi.

Tutkijat, jotka eivät osallistuneet tehtävään, ovat kuitenkin tervetulleita uusiin tuloksiin Anna Nobili Pisan yliopistosta Italiassa epäilee, että tarkkuus on yhtä korkea kuin on todettu. Hän huomauttaa, että suurin systemaattisen virheen lähde on lämpökohina, joka johtuu lämpötilagradienteista, jotka aiheutuvat avaruusalukseen saapuvan suoran ja heijastuneen auringonvalon vaihteluista. Hän huomauttaa, että kun satelliitti on jo kiertoradalla, ainoa tapa vähentää tämän kohinan vaikutuksia kahden tiedonvälityksen välillä oli parantaa sen mallintamista. Hän ei kuitenkaan pidä "täysin vakuuttavana", että mallintamisella olisi voitu saavuttaa tarvittava vähennys – kertoimella kuusi.

Siitä huolimatta Nobili arvioi, että MICROSCOPE osoittaa "tilan valtavan potentiaalin" erittäin tarkkoihin ekvivalenssiperiaatteen testeihin. Hän väittää erityisesti, että tehtävä osoittaa, kuinka tärkeää on pyörittää avaruusalusta suurilla nopeuksilla, jotta voidaan lisätä minkä tahansa rikkomussignaalin taajuutta tasolle, jolla lämpökohinan tiedetään olevan alhaisempi. (Hän huomauttaa, että satelliitin oli tarkoitus pyöriä jopa viisinkertaisella kiertoradalla, mutta se pyöri 17.5 kertaa nopeammin.)

Lisää melunvaimennusta

MICROSCOPE-yhteistyön jäsen Joel Bergé Université Paris Saclaysta sanoo, että hän ja hänen kollegansa työskentelevät nyt laajemmassa seurantatehtävässä nimeltä MICROSCOPE 2, jota he eivät ole vielä ehdottaneet millekään avaruusjärjestölle, mutta joka voisi käynnistää "vuoden toisella puoliskolla". 2030-luku”. Hän sanoo, että uusi satelliitti sisältäisi useita muutoksia melun vähentämiseksi, mukaan lukien kultalangan korvaaminen, jota käytetään poistamaan ei-toivottu varaus testimassasta langattomalla järjestelmällä, jossa on ultraviolettivaloa lähettäviä diodeja. Hän väittää, että tällaiset muutokset voisivat vähentää mittausepävarmuutta noin yhteen osaan 10:stä¹⁷.

Clifford WillUSA:n Floridan yliopiston teoreetikko uskoo, että alkuperäisestä tehtävästä saadut kokemukset antavat MICROSCOPE-tutkijoille "hyvän pohjan siirtyä versioon 2.0". Hän sanoo, ettei hän voi arvioida heidän ennustetun 10:n uskottavuutta^-17 epävarmuutta, mutta huomauttaa, että Stanfordin yliopiston tutkijat, jotka työskentelevät ehdotetun STEP-tehtävän parissa, väittivät, että tämän tarkkuustason saavuttaminen edellyttäisi satelliitin jäähdyttämistä kryogeenisiin lämpötiloihin - mitä ei ole suunniteltu MICROSCOPE 2:lle.

Tutkimus on kuvattu vuonna julkaistuissa julkaisuissa Fyysisen tarkastelun kirjaimet ja erikoispainos of Klassinen ja kvanttipainovoima.