FyzWeb  články
Unikátní test obecné teorie relativity2004-05-02 

Obecná teorie relativity popisuje chování velmi hmotných objektů na velkých vzdálenostech, jde o moderní teorii gravitace. Na rozdíl od Newtonova pohledu není prostor a čas pasivním jevištěm fyzikálního dění, ale jde o aktivní spoluhráče: hmota zakřivuje prostoročas a ten pak zase říká hmotě, jak se pohybovat. Prostor a čas jsou vzájemně provázány, což vede ke známým efektům dilatace času, kontrakce délek a relativity současnosti ve speciální teorii relativity (ta se zabývá pohybem těles bez zrychlení). Obecná relativita předpovídá řadu dalších efektů, jako je například ohyb světla v silném gravitačním poli (pozorováno na hvězdách blízko Slunce při jeho zatmění), dilatace času v gravitačním poli (hodinky na povrchu Slunce by šly pomaleji než u povrchu Země), gravitační rudý posuv (foton "šplhající" z gravitačního pole ztrácí energii a prodlužuje svou vlnovou délku).

Popis efektů teorie relativity by vydal na samostatné dílo, důležité však je, že veškerá dosavadní pozorování jsou v dokonalém souladu s obecnou relativitou. Ne všechny efekty však byly zatím testovány. Další dva zajímavé jevy se právě chystá ověřit družice Gravity Probe B (GP-B), která byla vypuštěna z Kalifornie 20. dubna 2004.

Experiment GP-B bude zjišťovat, nakolik pohyb a přítomnost Země zakřivuje prostoročas (geodetic effect) a jak jej zemská rotace s sebou "strhává" (drag effect). Tento jev dosud nebyl prověřen, neboť se v našich podmínkách jedná o velmi malý efekt a dopusud nebyly dostupné potřebné technologie k jeho ověření. Celá idea byla navržena již v 60. letech (Leonard Shiff, George Pugh) a experimentální realizace se pro mnohé vědce a techniky stala celoživotní náplní.

Jádrem experimentu jsou čtyři setrvačníky, teleskop a referenční hvězda IM Pegasi, která leží v oběžné rovině dráhy, na kterou byla sonda navedena. IM Pegasi je vzdálená asi 300 světelných let a leží (úhlově) blízko vzdáleného kvasaru, jenž je tím pravým "pevným bodem". Hvězda se však snáze pozoruje, a protože jde zároveň o rádiový zdroj, může být její poloha vůči kvasaru určena velmi přesně pomocí Very Long Base Interferometry, celosvětové sítě radioteleskopů.

Setrvačníky (gyroskopy) mají snahu zachovávat rovinu, ve které se otáčejí (jde o zákon zachování momentu hybnosti), používají se ke stabilizaci družic (Mezinárodní stanice ISS s nimi nedávno měla technické problémy) ale i letadel a lodí. Dají se však také použít ke studiu rotace Země, resp. toho, jak Země ovlivňuje setrvačníky a směr jejich osy rotace v prostoru. Obrazně lze říci, že setrvačníky "uvidí" zakřivení a pohyb lokálního prostoročasu.

Gyroskopy sondy GP-B jsou křemenné koule velikosti pingpongového míčku, které rotují ve vakuu dokonalejším než okolní kosmický prostor. Jde o nejkulatější objekty, které kdy člověk vyrobil, 30 miliónkrát přesnější než doposud (kdyby byla stejně přesně kulatá Země, dosahovaly by největší nerovnosti povrchu velikosti ani ne 3m!).

Krystal křemene byl vyroben v Brazílii a dotvořen v Německu. Setrvačníky jsou uloženy při teplotě blízké absolutní nule (1.8K, -271.14C) ve speciální komoře (Dewarova nádoba), která je izoluje od vibrací a ostatních vnějších vlivů. Setrvačníky levitují v elektrickém poli a jsou roztáčeny krátkými pulzy plynného helia na rychlost až 10000 otáček za minutu. Přitom budou vzdáleny jen setiny milimetrů od okolních stěn.

Jak ale měřit orientaci os setrvačníků, když musí zároveň rotovat zcela nedotčeně? Odpovědí je supravodivost - jev, kdy určité materiály vykazují při velmi nízkých teplotách pokles elektrického odporu téměř na nulu. Supravodivý materiál, který rotuje, navíc vytváří magnetické pole a příslušný magnetický moment (tzv. Londonův) je orientován přesně v ose rotace. Křemenné gyroskopy jsou za tímto účelem potaženy 1.27nm tenkou vrstvičkou niobu, který je při nízkých teplotách supravodivý. Orientace os setrvačníků je měřená magnetometry nazývanými SQUID (Super-conducting Quantum Interference Devices), které určují osu magnetického pole a tím i osu rotace setrvačníků. V principu se měří magnetické toky různě orientovanými detekčními smyčkami kolem setrvačníků.

Se systémem setrvačníků je opticky svázán dalekohled typu Cassagrain, jenž bude přesně určovat jakékoli odchylky orientace setrvačníků vůči referenční hvězdě. Samotná poloha sondy je s přesností 1cm určována systémem GPS.

40-60 dní po vypuštění a uvedení na polární orbitu ve výšce 640km bude probíhat kontrolní a kalibrační fáze, po níž bude následovat vědecký program (13-15 měsíců) a závěrečná kalibrace (2-3 měsíce). Na začátku experimentu se uspořádají osy teleskopu a setrvačníků do směru referenční hvězdy.

Platí-li skutečně Einsteinova teorie relativity, mělo by se ukázat, že zatímco osa teleskopu bude udržována ve směru IM Pegasi, osy setrvačníku se budou od tohoto směru postupně odchylovat, a to jak ve směru roviny oběžné dráhy (kvůli zakřivení prostoročasu), tak i ve směru kolmém (tam bude prostoročas strhávat Země). Absolutní velikost odklonu má být extrémně malá, asi 6000 resp. 40 obloukových vteřin za rok! Přesnosti měření obou efektů by měly dosáhnout až 0.01 resp. 1.0%.

Pro zajímavost uveďme, že v průběhu více než 40 letého projektu vzniklo v rámci GP-B přes 100 doktorských disertací, vývoj přístrojového vybavení vedl k průlomům v mnoha technických odvětvích a nové technologie se již dostaly do průmyslu. Zpráva o vypuštění se stala hlavním tématem mnoha vědeckých rubrik ve světovém tisku a televizi. Přelety družice lze na obloze pozorovat pouhým okem (jeden oblet trvá 48.75min).

Odkazy:
Stránky NASA: http://www .nasa.gov/missions/highlights/launch_update_gpb.html.
Podrobnosti: http://einstein.stanford.edu/.
Pěkný je následující materiál ve formátu pdf (1.7 MB).

Zpracoval Jiří Kvita.





Doporučit článek

Od:
Komu:
Antispam: