Sonda de gravedad B
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|---|---|
| Vista artística de la nave espacial Gravity Probe B | |
| Cliente | NASA |
| Fabricante | Lockheed Martin |
| Tareas | comprobación de los efectos de la relatividad general |
| Satélite | Tierra |
| plataforma de lanzamiento | base vandenberg |
| vehículo de lanzamiento | Delta-2 |
| lanzar | 20 de abril de 2004 16:57:26 UTC |
| ID COSPAR | 2004-014A |
| SCN | 28230 |
| Elementos orbitales | |
| Estado animico | 90° |
| Período de circulación | 97,6 minutos |
| apocentro | 645 kilometros |
| pericentro | 641 kilometros |
| einstein.stanford.edu | |
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Gravity Probe B ( GP-B ) es una misión espacial estadounidense para medir los efectos extremadamente débiles de la precesión geodésica de los giroscopios en la órbita terrestre y el arrastre de marcos de referencia inerciales por la rotación de la Tierra, que son predichos por la teoría general de Einstein de relatividad _ El desarrollo del dewar , contenedor de instrumentación científica y equipo electrónico para el GP-B estuvo a cargo del departamento de nuevas tecnologías de la empresa Lockheed Martin . La Universidad de Stanford eligió a Lockheed Martin Missiles & Space , Sunnyvale, para fabricar la propia nave espacial .
El satélite fue lanzado el 20 de abril de 2004, la recopilación de datos comenzó en agosto de 2004. El satélite funcionó en órbita durante un total de 17 meses y completó su misión el 3 de octubre de 2005 . El procesamiento de los datos obtenidos se llevó a cabo hasta mayo de 2011 y confirmó la existencia y magnitud de los efectos de precesión geodésica y arrastre de los marcos de referencia inerciales, aunque con una precisión ligeramente inferior a la supuesta originalmente.
Predicciones de la relatividad
El satélite Gravity Probe B llevaba los giroscopios más precisos del mundo hasta la fecha. La precisión de las medidas de la posición del eje permite detectar dos efectos predichos por la teoría general de la relatividad:
- precesión geodésica , derivada de la curvatura del espacio-tiempo.
- precesión debida al arrastre del sistema de coordenadas inercial cerca de un cuerpo masivo en rotación ( la Tierra ).
La precesión geodésica se produce debido a la curvatura del espacio-tiempo por la Tierra. En un espacio curvo, si rodeas un vector a lo largo de un contorno cerrado, no volverá a su posición original, sino que cambiará de dirección en algún ángulo (ver traslación paralela ). En este caso, el papel del vector lo desempeña el giro del giroscopio, y la órbita del satélite actúa como un circuito cerrado. Para los parámetros GP-B, según los cálculos, el ángulo de deflexión total debería ser de 6,6 segundos de arco por año. La desviación del giro debe observarse en el plano de la órbita del satélite.
La precesión del segundo tipo es dos órdenes de magnitud más débil y surge debido al arrastre del espacio por la rotación de la Tierra. Si coloca un giroscopio que gira horizontalmente en el polo de la Tierra, comenzará una precesión muy lenta en la dirección de rotación de la Tierra (en sentido contrario a las agujas del reloj en el polo norte ). Curiosamente, debería observarse lo contrario en el ecuador: el espacio más cercano a la Tierra se arrastra más, y la precesión debería ocurrir en la otra dirección, en el sentido de las agujas del reloj, cuando se ve desde el polo norte. Para GP-B, la precesión debida al arrastre del marco inercial debe ser de aproximadamente 0,014 segundos de arco por año.
Descripción del experimento
La idea del experimento es bastante simple. Un sistema de cuatro giroscopios está unido rígidamente al telescopio principal del satélite , el telescopio apunta a la estrella principal y se mantiene en una dirección estrictamente fija durante todo el vuelo. Primero, los giroscopios se giran para que sus ejes coincidan con el eje del telescopio principal. La desalineación microscópica de los ejes se puede medir con el SQUID (dispositivo superconductor de interferencia cuántica). El desplazamiento de los ejes del giroscopio medido de esta manera solo se debe a los efectos esperados: precesión geodésica y arrastre del sistema de coordenadas inercial.
El satélite se mueve en una órbita libre de deriva. Esto significa que la órbita del satélite se ajusta constantemente (con una frecuencia de 10 veces por segundo) de acuerdo con el movimiento del centro de masa de uno de los giroscopios que, como los otros tres, está protegido de todas las influencias externas (atmósfera , el campo magnético terrestre , la presión de la luz solar, etc.), salvo la interacción con el campo gravitatorio. Las coordenadas de los satélites se registran mediante el sistema GPS . Los giroscopios giran a una velocidad angular de unas 4000 revoluciones por minuto. Se suspenden electrostáticamente a una distancia de fracciones de milímetro de las paredes de la cavidad. Para evitar el contacto del giroscopio con las paredes, la posición de la cavidad con respecto al giroscopio se corrige 220 veces por segundo.
Los rotores de los giroscopios GP-B están hechos de forma tan perfecta que puede excluirse la posibilidad de precesión debido a defectos mecánicos o fuerzas eléctricas. El dispositivo es capaz de fijar el desplazamiento de los ejes hasta 0,5 milisegundos de arco angular por año. A modo de comparación, este ángulo será aproximadamente igual al ángulo en el que se ve un cabello humano desde una distancia de 32 km. Según la mecánica newtoniana, un giroscopio esférico perfecto en ausencia de fuerzas externas no experimenta precesión, es decir, si en un principio su eje estaba dirigido a una determinada estrella, siempre permanecerá en esta posición. En 1960, el Dr. Leonard Schiff de la Universidad de Stanford, sobre la base de las ecuaciones de Einstein y las ecuaciones de movimiento de una partícula con espín, derivadas de Papapetrou ( Papapetrou-Dixon ecuaciones ), calculó la precesión de los ejes de giroscopios y propuso realizar un experimento, ya sea en un laboratorio en la Tierra o en el espacio. De sus cálculos se deducía que el efecto en el laboratorio sería varios órdenes de magnitud menor, por lo que el experimento orbital era más preferible.
Características del satélite
- Los instrumentos principales, el cuerpo del giroscopio, el telescopio y las estructuras de soporte, están hechos de vidrio de cuarzo . El cuarzo prácticamente no está sujeto a la expansión térmica en un amplio rango de temperatura: se expande y se contrae muy poco y de manera muy uniforme. Las piezas de cuarzo fueron fabricadas por Speedring Company de Cullman , Alabama .
- El telescopio principal tiene una apertura de 14 cm y apunta a la estrella doble IM Pegasus ( HR 8703 ).
- Los técnicos del Marshall Space Flight Center crearon el equipo de pulido perfecto que les permitió tallar los objetos más esféricos jamás creados por el hombre: rotores de giroscopio satelital. La rugosidad de la superficie de las esferas es de solo unas pocas docenas de capas atómicas: si las aumenta al tamaño de la Tierra, la montaña más alta o la depresión más profunda tendrán solo 2,4 metros de altura.
- Los ingenieros de Stanford han desarrollado una técnica para depositar una película superconductora de niobio delgada (solo unos pocos nanómetros de espesor) en la superficie de una esfera.
- El principal equipo de medición del GP-B se coloca en un tanque criogénico de 2,7 metros con forma de cigarro, rodeado por una capa de lámina de plomo superconductora para protegerlo contra campos magnéticos externos . Este contenedor, a su vez, junto con la coraza superconductora, se coloca en un recipiente Dewar , que en el momento del lanzamiento contenía 2441 litros de helio líquido . Para mantener la película de niobio en estado superconductor, es necesario mantener una temperatura criogénica de 1,8 K.
- La dirección del eje de rotación del giroscopio se detecta a partir del momento magnético ( momento de Londres ) que genera el superconductor giratorio. Los detectores de campo son interferómetros cuánticos ( SQUIDs ) con una sensibilidad que permite medir el campo magnético 10 órdenes de magnitud más débil que el campo terrestre.
- El helio superfluido en el matraz Dewar del satélite sirve no solo para soportar el medio criogénico, sino también como fluido de trabajo de micromotores a reacción para maniobras durante la orientación precisa del telescopio.
- Más de 400 cables eléctricos, así como la luz de las estrellas que ingresa al entorno criogénico, calientan el recipiente Dewar. Debido a este calor, el helio líquido se evapora lentamente. Por lo tanto, los especialistas de Stanford inventaron un "tapón poroso" especial que elimina el helio gaseoso hervido del recipiente Dewar, dejando solo helio líquido y manteniendo la temperatura criogénica requerida.
- El helio gaseoso pasa a través de varias capas de refrigeración exteriores de la nave Dewar y luego es expulsado al espacio por uno de los ocho micropropulsores a bordo del satélite. Según los datos del telescopio y la posición de los giroscopios, el helio saliente se dosifica cuidadosamente de tal manera que uno de los cuatro giroscopios se mantenga estrictamente en el centro de masa de todo el sistema.
Historial de vuelos
El GP-B fue lanzado el 20 de abril de 2004 a las 09:57:24 desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg . El vehículo de lanzamiento Delta-2 lanzó la nave espacial a una órbita circumpolar casi circular con una altura de ~642 km. Los paneles solares se desplegaron según lo programado, 66 minutos después del lanzamiento, y la precisión del lanzamiento fue tan alta que no se requirió más corrección de la órbita.
La primera fase de la misión, la fase de inicialización y calibración, duró cuatro meses. Durante este período, todos los instrumentos y sensores del satélite se inicializaron y prepararon para funcionar, calibrarse y probarse. Hubo algunos problemas con dos de los micromotores debido a la contaminación por micropartículas, pero se corrigieron haciendo ajustes en el software del sistema de control de actitud. Posteriormente, el telescopio realizó una microcorrección de la orientación a la estrella de referencia IM Pegasus en cada órbita, sobrevolando el polo norte, sin problemas.
En agosto de 2005, GP-B entró en la fase científica, que duró 353 días. La recopilación de datos se llevó a cabo a partir de más de 9000 sensores y se registró en un registrador especial a bordo, que contenía hasta 15 horas de escaneo continuo del estado del equipo y los datos de los sensores. La nave espacial intercambió periódicamente información con el centro de control de operaciones de la Universidad de Stanford a través de una red de satélites de telemetría de la NASA y una serie de estaciones terrestres de seguimiento. Luego de un año de intensa recopilación de información, se llevó a cabo la etapa final de pruebas de equipos a bordo, que duró 46 días. En total, recopiló alrededor de un terabyte de información. El procesamiento de datos continuó hasta 2011.
Resultados
- El 14 de abril de 2007, Francis Everitt hizo una presentación [1] sobre los resultados provisionales en la reunión de la American Physical Society en Jacksonville, Florida. Debido a la interacción de las cargas eléctricas "congeladas" en los giroscopios y las paredes de sus cámaras (el efecto parche), y los efectos de lectura previamente desconocidos, aún no completamente excluidos de los datos obtenidos, la precisión de la medición en esta etapa se limitó a 0,1 segundos de arco . Como resultado, los autores inicialmente solo lograron confirmar con una precisión superior al 1% el efecto de la precesión geodésica ( 6606,1 milisegundos de arco (mas) por año), pero no lograron aislar y verificar el fenómeno de arrastre del marco de referencia inercial ( 39,2 mas por año). El efecto anual medido de la rotación del eje en el plano orbital es −6638 ±97 mas , el efecto anual total previsto es −6571±1 mas 7 mas y el movimiento propio de la estrella de referencia, +28 mas ).
- Después de un intenso trabajo de análisis y extracción de ruido de medición, los resultados finales de la misión se anunciaron en una conferencia de prensa en NASA-TV el 4 de mayo de 2011 y se publicaron en Physical Review Letters [2] . El valor medido de la precesión geodésica fue −6601.8±18.3 ms /año, y el efecto de arrastre fue −37.2±7.2 ms / año (comparar con los valores teóricos anteriores de 6606.1 mas/año y 39,2mas/año ).
Véase también
- Gravitomagnetismo
- Teoría general de la relatividad
- Fascinación por los marcos de referencia inerciales
Notas
- ↑ Sonda de gravedad B: informe provisional y primeros resultados (enlace no disponible) . Archivado desde el original el 9 de junio de 2007.
- ↑ CWF Everitt et al . Sonda de gravedad B: resultados finales de un experimento espacial para probar la relatividad general , Physical Review Letters (1 de mayo de 2011). Archivado desde el original el 6 de mayo de 2018. Consultado el 6 de mayo de 2011.
Enlaces
- Sonda de gravedad B: La Tierra deforma y retuerce el espacio : un mensaje del recurso de Internet MEMBRANA con fecha del 17 de abril de 2007.
- Descripción del proyecto Copia de archivo fechada el 13 de febrero de 2006 en Wayback Machine en el sitio ruso Terra Incognita Copia de archivo fechada el 2 de enero de 2007 en Wayback Machine
- Sitio web dedicado a Gravity Probe B Archivado el 22 de enero de 2022 en Wayback Machine .
- El efecto warp de Einstein medido Archivado el 7 de agosto de 2021 en Wayback Machine en el sitio de noticias de la BBC el 21 de octubre de 2004 .
- Las tecnologías extraordinarias de GP-B Archivado el 14 de mayo de 2011 en Wayback Machine // Stanford
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