アインシュタインの一般相対性理論の中心である慣性質量と重力質量が等しいことが、MICROSCOPE 衛星によって前例のない感度で確認されました。 フランスのミッションは、地球の周りを自由落下する 100 つの質量から数千の軌道に相当する加速度計データを収集した結果、XNUMX 兆分の XNUMX のレベルで等価原理に違反していないことを発見しました。 ミッションの科学者は、熱やその他のノイズをより適切に制御することで、精度をさらに XNUMX 倍高めることができ、量子重力理論のテストが可能になると述べています。
1915 年にアルバート アインシュタインによって発表されて以来、一般相対性理論は、太陽の星明かりの偏向から原子時計の重力による赤方偏移まで、さまざまな実験的テストに合格してきました。 しかし物理学者は、暗黒物質と暗黒エネルギーの現象が説明されていないままである一方で、量子力学と矛盾しているため、この理論を不完全であると見なしています。 研究者はまた、重力を、自然の他の XNUMX つの基本的な相互作用である電磁気力と強い核力と弱い核力と統合したいと考えています。
重力の代替理論によって予測された新しい力のキャリアを探す XNUMX つの方法は、弱い等価原理をさらに厳しいテストにかけることです。 この原則は、慣性質量と重力質量が等しいことを示しています。 したがって、気圧の変化などの他の力を受けない限り、質量や組成に関係なく、すべての物体は同じ速度で重力場に落下するはずです。 (この原理の強力なバージョンは、大きなオブジェクトで重要になる自己重力の影響も考慮しているため、より堅牢です。)
エトヴェシュ比
ガリレオ・ガリレイ以来、実験家たちは感度を上げながら等価原理を調べてきました。 最新のテストで使用される測定基準は Eötvös 比です。これは、自由落下する 2008 つのテスト質量の加速度を比較し、それらの加速度が等しい場合はゼロです。 XNUMX年に、 エリック・アデルバーガー 米国シアトルのワシントン大学の同僚らは、回転ねじり天秤を使用して、2 分の 10 程度のレベルでゼロのエトヴェス比を得ました。13. 50年後、フランスのパリ天文台の研究者は、地球の月の軌道のわずかな変化を探して、約7年間のレーザー測距データを利用し、約10×XNUMXの精度で等価原理を確認しました。-14.
MICROSCOPE の背後にあるアイデアは、地球軌道上にあることの利点を活用することによって精度をさらに向上させることでした。つまり、地震ノイズなどの地上干渉なしで長期間にわたって測定を実行できるという事実です。 このミッションでは、異なる合金で作られた XNUMX つの同心中空シリンダー (XNUMX つはチタンとアルミニウム、もう XNUMX つはプラチナとロジウム) が連続的に自由落下しながら移動する際の相対加速度を監視しました。 これは、電極を使用してシリンダーの動きの偏差を監視し、小さな電圧を印加してシリンダーをまっすぐに設定することで実現しました。この印加電圧の変化は、等価原理の違反の信号を提供します。
140 億 2016 万ユーロの MICROSCOPE ミッションは、ドイツ、オランダ、英国の研究者と協力して、フランスの CNES 宇宙機関によって 1.5 年に開始されました。 約 2017 時間の周期でほぼ極軌道に投入されたこの衛星は、わずか 120 の軌道から初期データ セット (2 年に公開) を生成しました。 その結果、当時の記録的な感度よりもおよそ 10 桁の改善が見られ、エトヴェス比のゼロ値の不確実性が XNUMX 分の XNUMX にまで押し下げられました。14.
より多くのデータ
MICROSCOPE コラボレーションは現在、ミッションの完全なデータ セットを公開しています。これは、ミッションの 2.5 年の有効期間内の 10 か月に相当します (この衛星は、まだ軌道上にあり、最終的には地球の大気圏で燃え尽きます)。 XNUMX 年前よりも少なくとも XNUMX 桁多くのデータがあり、その一部は同じ材料 (プラチナ) で作られた XNUMX つの円柱の参照比較から得られたもので、研究者はエトヴェス比の不確実性を約 XNUMX に減らすことができました。 XNUMX分のXNUMX15 –そして、それがまだゼロであることを発見しました。 それは彼らが望んでいたほど正確ではありません - 彼らは10分のXNUMXの部分に到達したかったのです15 – それでもなお、約 XNUMX 倍の精度のさらなる改善を表しています。
ミッションに関与していない科学者は新しい結果を歓迎していますが、 アンナ・ノビリ イタリアのピサ大学の教授は、精度が述べられているほど高いことに懐疑的です。 彼女は、系統誤差の最大の原因は熱雑音であると指摘しています。これは、宇宙船に到達する直射日光と反射太陽光の変動によって設定される温度勾配に起因します。 彼女は、衛星がすでに軌道に乗っている状態で、XNUMX つのデータ リリース間のこのノイズの影響を軽減する唯一の方法は、そのモデリングを改善することであると述べています。 しかし、彼女は、モデリングが必要な削減、つまり XNUMX 分の XNUMX を達成できたということは「完全に納得できるものではない」ことを発見しました。
それにもかかわらず、Nobili は、MICROSCOPE が等価原理の非常に高精度なテストのための「スペースの巨大な可能性」を示していると考えています。 特に、このミッションは、熱雑音がより低いことが知られているレベルまで違反信号の頻度を高めるために、宇宙船を高速で回転させることの重要性を示していると彼女は主張します。 (彼女は、衛星がその軌道周波数の最大 17.5 倍で回転するように意図されていたが、最終的には XNUMX 倍速く回転したと述べています。)
さらなるノイズリダクション
MICROSCOPE の共同メンバーであるパリ サクレー大学の Joel Bergé 氏は、彼と彼の同僚は現在、MICROSCOPE 2 と呼ばれるより大きなフォローアップ ミッションに取り組んでいると述べています。 2030年代」。 彼は、新しい衛星にはノイズを減らすためにいくつかの変更を組み込む予定であると述べています。これには、テスト質量から不要な電荷を除去するために使用される金線を、紫外線発光ダイオードを含むワイヤレス システムに置き換えることが含まれます。 このような変更により、測定の不確実性が 10 分の XNUMX 程度にまで減少する可能性があると彼は主張しています。17.
質量の降下
クリフォード・ウィル米国フロリダ大学の理論家である氏は、最初のミッションで得られた経験が、MICROSCOPE の研究者に「バージョン 2.0 に移行するための優れた基盤」を与えると考えています。 彼は、彼らの予測された 10 の信頼性を判断することができないと言います。-17 しかし、STEPとして知られる提案されたミッションに取り組んでいるスタンフォード大学の科学者は、そのレベルの精度に到達するには衛星を極低温に冷却する必要があると主張したことを指摘しています。
この研究は、で発表された論文で説明されています Physical Review Lettersに フォルダーとその下に 特別な問題 of 古典および量子重力.
