Gravity Probe B

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Gravity Probe B is een zwaartekrachtmeter, waarmee zeer nauwkeurig het zwaartekrachtveld van de aarde gemeten kan worden om de relativiteitstheorie, door Einstein gepostuleerd in 1916, aan de werkelijkheid te toetsen. De letter B in de naam betekent dat het de tweede sonde is waarmee dergelijke metingen gedaan zijn (zie Gravity Probe A).

Hiertoe worden vier cryogene gyroscopen gebruikt in een satelliet die op 642 km hoogte een polaire baan beschrijft rondom de aarde. Deze gyroscopen meten twee afwijkingen:

  1. Het geodetisch effect (noord - zuid afwijking): de mate waarin de aarde de ruimtetijd vervormt.
  2. De vervorming van de ruimtecoördinaten (eng.: frame-dragging) ten gevolge van de draaiing van de aarde (de aarde sleept de ruimte mee in haar draaiing).

Dit wordt gedaan door de precessiebeweging (hoekvariatie) van de assen van de gyroscopen te meten over een periode van één jaar en die hoeken te vergelijken met de theorie van Einstein.

Gravity Probe B bevestigt theorie van Einstein

Het experiment[bewerken]

Het experiment gebruikt 's werelds meest nauwkeurige gyroscopen. Inderdaad, Einstein voorspelde dat het geodetisch effect 6,6 boogseconden (0,0018 graden) per jaar zou bedragen en de frame-dragging 0,041 boogseconden (0,000011 graden) in het vlak van de draaiing van de aarde. Deze effecten zijn nooit rechtstreeks gemeten.

De missie staat onder leiding van NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama. Het idee komt van de Stanford-universiteit in Californië die dan ook de ontwikkeling van het eigenlijke meetinstrument op zich neemt. De universiteit zal ook de missie leiden en achteraf de gegevens analyseren. Lockheed Martin in Palo Alto, Californië bouwt de satelliet.

De telescoop[bewerken]

De opzet is vrij eenvoudig. De gyroscopen zijn vast verbonden met de telescoop. Tijdens de missie zal de telescoop altijd op dezelfde ster -IM Pegasi- gericht blijven. Bij de start van de missie zullen de vier gyroscoopassen uitgelijnd worden op deze ster. Door middel van een supergeleidend uitleessysteem SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) zullen zeer kleine afwijkingen in de oriëntatie van de assen gemeten kunnen worden. Wijzigingen in de richting van de assen zijn een direct gevolg van het geodetisch en/of frame-dragging effect van de algemene relativiteit.

De gyroscopen[bewerken]

Elk van de vier gyroscopen moet nu zowat één miljard omwentelingen hebben gemaakt sinds de lancering in 2004. Zij zijn perfect bolvormig zodat zij elke mechanische of elektrische invloed elimineren. Zij kunnen hoeken detecteren kleiner dan 0,5 milliboogseconde (1,4×10−7 graden). Deze hoek komt overeen met de dikte van een mensenhaar gezien op een afstand van 32 km.

Volgens de wetten van de Newtoniaanse fysica zal de as van een perfecte sfeer, onveranderlijk zijn. Dit houdt in dat de gyroscopen, eens opgelijnd met de geleidester, voor altijd naar die ster gericht zullen blijven. Reeds in 1960 voorspelde Dr. Leonard Schiff, hoofd van het departement fysica van de Stanford-universiteit, dat een perfecte gyroscoop het geodetisch en frame-dragging effect zou kunnen meten.

Initialisatie van de gyroscopen[bewerken]

De gyroscopen worden één voor één opgestart tot 4200 omw/min. Zij draaien twee aan twee in tegenovergestelde richtingen. Het opstarten gebeurt door ultra zuiver heliumgas tegen geluidssnelheid over de rotor te blazen gedurende verschillende uren. Daarna wordt de helium verwijderd zodat er hooguit nog enkele heliumatomen aanwezig zijn. Dit om de vertraging van de rotatiesnelheid tot een minimum te beperken. De periode waarop de snelheid tot 37% van de initiële snelheid gedaald is bedraagt meer dan 10.000 jaar. Het verwijderen gebeurt door middel van een collector die de heliumatomen als een dunne film op zijn oppervlak vasthoudt. Dit werkt zolang de temperatuur beneden de 5 graden Kelvin blijft. Dit is nog een reden waarom er met cryogene temperaturen wordt gewerkt. De collector bestaat uit gesinterd titanium. Hierdoor kan men een vacuüm creëren dat honderd maal beter is dan het vacuüm op de hoogte van de satelliet.

Technologie[bewerken]

Alle hoofdcomponenten (de vier gyroscopen, de telescoop en het blok waarop alles is gemonteerd) zijn gemaakt uit kwarts. Kwarts is zeer stabiel over een groot temperatuurbereik. Uitzetting en krimping zijn zeer gering en gelijkmatig. Het bedrijf Speedring Inc. in Cullman, Alabama, heeft deze onderdelen en de behuizing voor de gyroscopen geleverd.

Cryogene sonde[bewerken]

De telescoop heeft een diafragma van 14 cm en zal gedurende het hele experiment op het centrum van IM Pegasi (HR 8703) gericht blijven. Zo heeft men een vast referentiestelsel voor dit relativistisch experiment. De sterren op enkele honderden lichtjaren worden immers als vast beschouwd of men kent er alvast nauwkeurig de eigenbeweging van.

De technici van het Marshall center ontwierpen een technisch zeer hoog staande uitrusting om de rotoren van de gyroscopen te polijsten. De ingenieurs van Stanford ontwikkelden de dunne-filmtechnologie om de rotoren van een supergeleidende laag niobium te voorzien. De rotors zijn waarschijnlijk de meest ronde voorwerpen die ooit gemaakt zijn. Als men een rotor zou vergroten tot de omvang van de aarde, zou de hoogste berg of de diepste ravijn slechts 2,4 meter bedragen.

De meetinstrumenten zijn ondergebracht in een 2,7 meter lange cryogene sonde. De sonde zelf is nog eens verpakt in een supergeleidende loodfolie. Deze folie schermt de instrumenten af van het magnetisch veld van de aarde. Op hun beurt zijn de sonde en de loodfolie ondergebracht in een dewarvat dat 2.440 liter supervloeibaar helium bevat. De cryogene temperatuur van 1,8 graden Kelvin is nodig om het niobium van de rotoren supergeleidend te maken. De richting van de rotatieas wordt bepaald door het magnetisch moment dat gegenereerd wordt door een draaiende supergeleider.[1]

De supervloeibare helium in het dewarvat dient zowel voor de koeling van de cryogene omgeving als voor de positionering en rotatie van de satelliet. Door ingenieuze kleppen wordt een zeer kleine hoeveelheid helium in de ruimte geblazen via acht paren microstraalmotortjes om zo nauwkeurig de positie te regelen. Dit wordt gedaan door de helium 'af te koken'. De 400 draden en buizen die de sonde verbinden en het licht dat in de telescoop valt generen enige warmte. Deze warmte is voldoende om de helium te koken (kookpunt: 4,2 Kelvin) en zo de warmte af te voeren. Eén van de vier gyroscopen vormt het zwaartepunt van de satelliet. De oriëntatie van de satelliet gebeurt rond deze gyroscoop zodat zij in vrije val verkeert.

Lancering[bewerken]

Gravity Probe B werd gelanceerd van op de luchtmachtbasis Vandenberg Air Force Base in Californië door een Boeing Delta II raket op 20 april 2004 om 9:57:24 lokale tijd.

Resultaten[bewerken]

Na 31 jaar onderzoek en ontwikkeling, 10 jaar voorbereiding van de missie, de 1,5 jaar durende missie zelf en vijf jaar analyseren van de gegevens is het GP-B team tot de definitieve resultaten gekomen voor de test van de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein gepostuleerd in 1916. De metingen begonnen op 28 augustus 2004 en werden beëindigd op 14 augustus 2005. Het gewogen gemiddelde voor de vier gyroscopen geeft voor de geodetische afwijking -6601,8±18,3 mbs/jr (milliboogseconden per jaar) en voor de frame dragging -37,2±7,2 mbs/jr. De voorspelde waarden door de AR zijn respectievelijk -6606,1 mbs/jr en -39,2 mbs/jr. Eén milliboogseconde is 4,848×10−9 radialen of 2,778×10−7 graden.

Bronnen, noten en/of referenties

Externe links