MIKROSKOP-satelliten sätter Einsteins allmänna relativitetsteori på ett rekordstort test

Jämlikheten mellan tröghets- och gravitationsmassa som är central för Einsteins allmänna relativitetsteori har bekräftats med oöverträffad känslighet av MICROSCOPE-satelliten. Efter att ha samlat in accelerometerdata för flera tusen omloppsbanor från två massor i fritt fall runt jorden, har det franska uppdraget inte funnit något brott mot likvärdighetsprincipen på nivån några få delar på tusen biljoner. Missionsforskare säger att bättre kontroll av termiskt och annat brus kan öka precisionen med ytterligare en faktor på 100, så att tester av kvantgravitationsteorier tillåts.

Sedan den publicerades av Albert Einstein 1915 har den allmänna relativitetsteorin klarat en mängd experimentella tester med flygande färger – från solens avböjning av stjärnljus till gravitationsrödförskjutningen av atomur. Men fysiker betraktar teorin som ofullständig eftersom den strider mot kvantmekaniken, medan fenomenen med mörk materia och mörk energi förblir oförklarade. Forskare skulle också vilja förena gravitationen med naturens tre andra grundläggande interaktioner – elektromagnetism och de starka och svaga kärnkrafterna.

Ett sätt att leta efter nya kraftbärare som förutspåtts av alternativa teorier om gravitation är att utsätta den svaga ekvivalensprincipen för allt strängare tester. Denna princip säger att tröghets- och gravitationsmassa är ekvivalenta. Därför bör alla föremål, oavsett deras massa och sammansättning, falla i samma takt i ett gravitationsfält om de inte utsätts för andra krafter – såsom variationer i lufttrycket. (Den starka versionen av principen är mer robust eftersom den också tar hänsyn till effekterna av självgravitation, vilket blir viktigt för stora föremål.)

Eötvös förhållande

Ända sedan Galileo Galilei har experimentalister undersökt ekvivalensprincipen med ökande känslighet. Det mått som används i moderna tester är Eötvös-förhållandet, som jämför accelerationerna för två fritt fallande testmassor och är noll om dessa accelerationer är lika. 2008, Erik Adelberger och kollegor vid University of Washington i Seattle, USA, använde en roterande torsionsbalans för att få ett Eötvös-förhållande på noll på nivån cirka 2 delar på 10¹³. Medan tio år senare forskare vid Paris-observatoriet i Frankrike använde sig av nästan 50 års laseravståndsdata – letade efter små variationer i månens omloppsbana om jorden – och bekräftade ekvivalensprincipen med en precision på cirka 7×10^-14.

Tanken bakom MICROSCOPE var att ytterligare förbättra precisionen genom att utnyttja fördelarna med att befinna sig i jordens omloppsbana – det faktum att mätningar kan utföras under långa tidsperioder och utan terrestra störningar som seismiskt brus. Uppdraget innebar att övervaka den relativa accelerationen av två koncentriska ihåliga cylindrar gjorda av olika legeringar – en bestående av titan och aluminium och den andra platina och rodium – när de färdades i kontinuerligt fritt fall. Det gjordes genom att använda elektroder för att övervaka eventuella avvikelser i cylindrarnas rörelse och sedan applicera en liten spänning för att ställa cylindrarna raka – med variationer i denna pålagda spänning som ger signalen för eventuella brott mot ekvivalensprincipen.

MICROSCOPE-uppdraget på 140 miljoner euro lanserades 2016 av Frankrikes rymdorganisation CNES i samarbete med forskare i Tyskland, Nederländerna och Storbritannien. Placerad i en nästan polär omloppsbana med en period på cirka 1.5 timmar, gav satelliten en första datamängd – publicerad 2017 – från bara 120 omloppsbanor. Det resulterade i en ungefärlig storleksordning förbättring jämfört med den dåvarande rekordkänsligheten – vilket pressade ned osäkerheten i nollvärdet för Eötvös-förhållandet till cirka 2 delar på 10¹⁴.

Mycket mer data

MICROSCOPE-samarbetet har nu publicerat uppdragets fullständiga datamängd, inhämtad under motsvarande fem månader inom dess 2.5-åriga uppdragslivslängd (satelliten, fortfarande i omloppsbana, kommer så småningom att brinna upp i jordens atmosfär). Med minst en storleksordning mer data än för fem år sedan, av vilka en del kom från en referensjämförelse mellan två cylindrar gjorda av samma material (platina), har forskarna kunnat minska osäkerheten om Eötvös-kvoten till cirka fyra delar i 10¹⁵ – och tycker att det fortfarande är noll. Det är inte så exakt som de hoppades – de ville nå en del av 10¹⁵ – men representerar ändå en ytterligare förbättring av precisionen med omkring en faktor fem.

Forskare som inte är involverade i uppdraget välkomnar dock de nya resultaten Anna Nobili vid universitetet i Pisa i Italien är skeptisk till att precisionen är så hög som sagt. Hon påpekar att den största källan till systematiska fel är termiskt brus, ett resultat av temperaturgradienter som skapas av variationer i direkt och reflekterat solljus som når rymdfarkosten. Hon noterar att med satelliten redan i omloppsbana, var det enda sättet att minska effekterna av detta brus mellan de två datasläppen att förbättra modelleringen av den. Men hon finner det "inte helt övertygande" att modelleringen kunde ha uppnått den nödvändiga minskningen - en faktor sex.

Icke desto mindre anser Nobili att MIKROSKOP visar "rymdens enorma potential" för mycket hög precisionstester av ekvivalensprincipen. Speciellt hävdar hon att uppdraget visar vikten av att snurra en rymdfarkost i höga hastigheter för att öka frekvensen av överträdelsesignaler till nivåer där termiskt brus är känt för att vara lägre. (Hon noterar att satelliten var avsedd att snurra med upp till fem gånger sin omloppsfrekvens men slutade med att snurra 17.5 gånger snabbare.)

Ytterligare brusreducering

MICROSCOPE-samarbetsmedlem Joel Bergé från Université Paris Saclay säger att han och hans kollegor nu arbetar på ett större uppföljningsuppdrag som heter MICROSCOPE 2, som de ännu inte har föreslagit till någon rymdorganisation, men som skulle kunna lanseras "under andra halvan av 2030-talet”. Han säger att den nya satelliten skulle införliva flera förändringar för att minska brus, inklusive bytet av en guldtråd som används för att ta bort oönskad laddning från testmassan med ett trådlöst system som involverar ultravioletta lysdioder. Sådana förändringar, hävdar han, kan minska mätosäkerheten till omkring en del av 10¹⁷.

Clifford Will, en teoretiker vid University of Florida i USA, tror att erfarenheterna från det första uppdraget kommer att ge MICROSCOPE-forskarna "en bra grund för att gå över till version 2.0". Han säger att han inte kan bedöma trovärdigheten för deras projicerade 10^-17 osäkerhet men påpekar att forskare vid Stanford University som arbetar med ett föreslaget uppdrag känt som STEP hävdade att för att nå den precisionsnivån skulle det krävas att satelliten kyldes ner till kryogena temperaturer – något som inte var tänkt för MIKROSKOP 2.

Forskningen beskrivs i tidningar publicerade i Fysiska granskningsbrev och en speciell fråga of Klassisk och kvantgravitation.