Gravity Probe B: Земля искривляет и закручивает пространство

Похоже, споров на тему правильности теории относительности скоро станет немного меньше. Спутник для измерения гравитационных возмущений пространства вокруг Земли подтвердил, что Эйнштейн был прав. Тело огромной массы – наша планета – действительно искривляет пространство, закручивая его своим вращением.

Gravity Probe B: Земля искривляет и закручивает пространство

Миссия Gravity Probe B была придумана для того, чтобы учёные смогли наконец-то завершить бесчисленные споры вокруг общей теории относительности Эйнштейна. Массивное вращающееся тело, согласно ей, должно искривлять пространство-время вокруг себя, и этот тезис долго не давал покоя многим светлым умам.

Gravity Probe B — это такой эксперимент, когда на орбиту запустили телескоп, жестко фиксированный на звезду, и к нему прилепили четыре гироскопа. Из-за искривления пространства-времени, вызванного гравитацией земли, должна была произойти геодезическая прецессия гироскопов. Проще говоря — оси гироскопов должны были отклониться. И они таки отклонились. Земля действительно искривляет пространство. Доказано.

Чтобы подтвердить, что такое явление имеет место, исследователи NASA в сотрудничестве с коллегами из Стэндфордского университета (Stanford University) подготовили и запустили спутник, предназначенный для регистрирования гравитации Земли.

Ротор гироскопа для Gravity Probe B — одна из четырёх самых правильных сфер, когда-либо сделанных человеком. Масштабы этой важной запчасти, как видите, невелики, но значение для науки — неизмеримо.
Однако подготовка стартовала ещё раньше: стэндфордские профессора занялись разработкой идеи аж в 1959-м, а NASA начало спонсировать его в 1964 году.

Это самый длительный научный проект, которым когда-либо занимались эти организации. Кстати, он потребовал не только больших ресурсов времени, но и внушительных финансов — $760 миллионов. Так что было бы довольно странно, если б вдруг спустя сорок с лишним лет что-то могло пойти не так.

Основная аппаратура Gravity Probe B состоит из системы четырёх гироскопов и телескопа. Последний нужен для определения начальной ориентации спутника и был направлен на HR8703 – двойную звезду в созвездии Пегаса.


Гироскоп Gravity Probe B: шариковый ротор и статичный корпус (фото с сайта einstein.stanford.edu).
Первоначально оси вращения каждого гироскопа сонаправлены с осью телескопа, однако из-за ожидаемого искажения пространства допускалось, что их ориентация со временем изменится. Соответственно, главная задача – это регистрация всех этих отклонений.

Как легко видеть, идея аппарата несложная, но нужно отдать должное таланту людей, создавших тончайшую аппаратуру для спутника. Так, для этого пришлось разработать гироскопы (самые точные в мире) на основе роторов – самых идеальных сфер из всех, когда-либо сделанных человеком.

В течение 17 месяцев спутник собирал необходимые сведения (основные подробности этой части миссии изложены в нашем материале). После этого учёным потребовалось порядка 18 месяцев для анализа собранных сведений, и теперь они смогли сделать некоторые важные выводы из этой информации.

Gravity Probe B в художественном изображении (иллюстрация Katherine Stephenson, Stanford University and Lockheed Martin Corporation).

Данные Gravity Probe B позволили сделать выводы о правильности общей теории относительности, предсказывающей искривление пространства массивным вращающимся телом – нашей планетой. Также исследовательский коллектив под руководством профессора Френсиса Эверитта (Francis Everitt) из Стэндфордского университета, занимавшийся обработкой данных, смог также обнаружить и некоторые другие, ранее неизвестные эффекты.

Во-первых, как сообщается в пресс-релизе Стэндфорда, установлено самое главное, а именно — существование предсказанных Эйнштейном эффектов.

Один – так называемая геодезическая прецессия. Она возникает из-за искривления пространства Землей, и её величина совпала с теоретически предсказанной, с отклонением в 1%.

Другой — прецессия за счёт увлечения инерциальной системы координат Землёй, как бы захватывающей за собой пространство при вращении. Этот эффект проявляется в 170 раз слабее, чем геодезическая прецессия. Учёные определили её наличие, однако об её точном значении говорить пока что трудно: значение искажений, внесённых техникой, велико, и исследователи сейчас работают над тем, как внести коррективы в эти величины.


Схематическое изображение изменения оси вращения в ходе эксперимента Gravity Probe B. Здесь отклонения для наглядности значительно усилены и обозначены цифрами: 1 — геодезическая прецессия (составляет порядка 6,606 арксекунды в год), 2 — прецессия за счёт увлечения инерциальной системы координат (примерно 0,039 арксекунды в год). Слева вверху на каждом кадре яркой точкой обозначена звезда, на которую наводится телескоп (иллюстрация с сайта York University/Dr. N. Bartel).
Кроме этого, в процессе анализа данных сенсоров Gravity Probe B учёные сделали пару других интересных открытий.

Спутник, двигаясь по орбите, совершает также движение, связанное с «дрожанием» его оси вращения. Ожидалось, что эти колебания будут неизменными, однако выяснилось, что они со временем уменьшаются. Также обнаружилось, что оси гироскопов, установленных на борту спутников, подвергаются воздействию неких дополнительных малых вращательных моментов.

Как оказалось, оба явления связаны с возникновением областей с электростатическими зарядами на поверхностях спутника и вращающихся частей (гироскопов). До запуска учёные знали об этом эффекте, но считали, что его среднее воздействие окажется нулевым, однако практика опровергла это предположение.

Профессор Френсис Эверитт рассказывает о предварительных итогах обработки данных Gravity Probe B. Для этого ему пришлось проделать сложный исследовательский путь, длившийся более 40 лет (фото с сайта einstein.stanford.edu).