Galileo testaa Einsteinin suhteellisuusteoriaa
Eurooppalaisen Galileo-navigointijärjestelmän satelliitit numero viisi ja kuusi, jotka joutuivat viimevuotisen laukaisun jäljiltä väärille radoille, ovat mukana vuoden kestävässä kokeessa, jolla testataan Einsteinin suhteellisuusteoriaa.
Satelliittikaksikko laukaistiin avaruuteen venäläisellä Sojuz-raketilla 22. elokuuta 2014, mutta ylemmän vaiheen toimintahäiriön seurauksena ne päätyivät soikeille kiertoradoille, joilla niitä ei voi käyttää varsinaiseen tarkoitukseensa.
ESAn asiantuntijat alkoivat selvittää keinoja, miten niiden ratojen alinta pistettä saataisiin nostettua, jolloin rata muuttuisi ympyriäisemmäksi. Pelastusoperaatio on jo pitkällä.
”Satelliitit voivat nyt käyttää navigaatiolaitteitaan kaiken aikaa luotettavasti ja Euroopan komissio puntaroi ESAn avustuksella niiden lopullista käyttöönottoa”, kertoo ESAn satelliittinavigaation asiantuntija Javier Ventura-Traveset.
”Samalla satelliiteista on sattumoisin tullut tieteellisesti äärimmäisen hyödyllisiä, sillä niiden avulla voidaan testata Einsteinin yleistä suhteellisuuteoriaa mittaamalla paljon aiempaa tarkemmin, miten gravitaatio vaikuttaa ajan kulumiseen.”
Kuvaan on merkitty vihreällä aikaisemmin laukaistujen Galileo-satelliittien radat, punaisella viitos- ja kuutossatelliittien alkuperäiset radat ja sinisellä korjatut radat. Viime vuoden lopulla ja tämän vuoden alussa ratojen alinta pistettä nostettiin 3 500 kilometrillä.
Vaikka satelliittien ratoja on jo korjattu, ne ovat edelleen elliptisiä ja kummankin satelliitin etäisyys maapallosta vaihtelee noin 8 500 kilometriä. Nimenomaan korkeuden ja sen myötä gravitaation säännöllinen vaihtelu on tutkijoiden kannalta arvokasta.
Albert Einstein ennusti sata vuotta sitten, että aika kuluu hitaammin massiivisen kappaleen läheisyydessä. Teoria on varmennettu kokeellisesti, toistaiseksi tarkimmin vuonna 1976 laukaistun Gravity Probe A -satelliitin avulla.
Satelliitti vei mukanaan vetymaseriin perustuvan atomikellon noin 10 000 kilometrin etäisyydelle Maasta ja osoitti ennusteen pitävän paikkansa vähintään 140 miljoonasosan tarkkuudella.
Navigaatiosatelliittien toiminnassa on otettava huomioon, että niiden atomikellot käyvät kiertoradalla nopeammin kuin maanpinnalla. Heittoa kertyy joitakin mikrosekunnin kymmenyksiä vuorokaudessa, mikä kasvattaa paikanmäärityksessä esiintyvää virhettä noin 10 kilometriä samassa ajassa.
”Ensimmäistä kertaa sitten Gravity Probe A -satelliitin meillä on mahdollisuus parantaa tarkkuutta ja varmistaa Einsteinin teoria entistä luotettavammin”, toteaa Ventura-Traveset.
Uudessa kokeessa käytetään hyväksi Galileo-satelliittien mukana olevia vetymaseratomikelloja, soikeita ratoja, jotka aiheuttavat muutoksia ajan kulumisessa, sekä jatkuvaa seurantaa, joka on mahdollista maailmanlaajuisen maa-asemaverkoston ansiosta.
”Siinä missä Gravity Probe A -kokeessa oli kyse yhdestä ja samasta Maata kiertävästä radasta, me pystymme seuraamaan vuoden mittaan satoja ratoja”, Ventura-Traveset selittää.
”Meillä on mahdollisuus tarkentaa vähitellen mittauksiamme, kun pystymme tunnistamaan ja poistamaan systemaattiset virheet. Näiden virheiden eliminoiminen onkin yksi suurimmista haasteista.”
”Siinä suhteessa luotamme Euroopan parhaiden asiantuntijoiden apuun, Global Navigation Satellite System Service -palvelun tarkkaan seurantaan sekä senttimetrien tarkkuuden mahdollistavaan laserseurantaan.”
Tuloksia odotetaan vuoden sisällä ja niiden arvioidaan olevan neljä kertaa tarkempia kuin Gravity Probe A -kokeen mittausten.
Koejärjestelyistä vastaa kaksi tutkimuskeskusta, saksalainen ZARM Center of Applied Space Technology and Microgravity ja ranskalainen SYRTE Systèmes de Référence Temps-Espace, joissa kummassakin on vankka perusfysiikan asiantuntemus.
Valmisteilla oleva ESAn koelaitteisto, Atomic Clock Ensemble in Space, joka on tarkoitus viedä Kansainväliselle avaruusasemalle vuonna 2017, testaa Einsteinin teoriaa peräti 2–3 miljoonasosan tarkkuudella.
Kuvat: GSA [otsikkokuva], ESA