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| ミッションタイプ | 天体物理学 |
|---|---|
| オペレーター | NASA /スタンフォード大学 |
| コスパーID | 2004-014A |
| SATCAT番号 | 28230 |
| Webサイト | アインシュタイン |
| ミッション期間 | 6年7ヶ月17日[1] |
| 宇宙船の特性 | |
| メーカー | ロッキード・マーティン |
| 打ち上げ質量 | 3,100 kg (6,800 ポンド) [1] |
| 寸法 | 6.4m×2.6m（21.0フィート×8.5フィート）[1] |
| 力 | 606 W 宇宙船：293 W ペイロード：313 W [1] |
| ミッション開始 | |
| 発売日 | 2004年4月20日 16:57:24 UTC |
| ロケット | デルタ II 7920-10C |
| 発射場 | ヴァンデンバーグ SLC-2W |
| ミッション終了 | |
| 廃棄 | 廃止 |
| 無効化 | 2010年12月8日 |
| 軌道パラメータ | |
| 参照システム | 地球中心 |
| 政権 | ローアース |
| 半長軸 | 7,027.4 km (4,366.6 マイル) |
| 偏心 | 0.0014 [1] |
| 近地点高度 | 641 km (398 マイル) [2] |
| 遠地点高度 | 645 km (401 マイル) [2] |
| 傾斜 | 90.007度[1] |
| 期間 | 97.65分[3] |
| エポック | UTC [2] |
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重力探査機 B ( GP-B ) は、一般相対性理論の 2 つの未検証の予測、測地効果とフレームドラッグをテストするための衛星ベースの実験でした。これは、高度 650 km (400 マイル) で両極を直接横切る地球周回衛星に搭載された 4 つのジャイロスコープの回転方向のわずかな変化を非常に正確に測定することによって達成される予定でした。
衛星は2004年4月20日にデルタIIロケットで打ち上げられた。[4]宇宙飛行段階は; [5]その目的は、地球近傍の時空の曲率を測定し、それによって地球内および地球近傍の応力エネルギーテンソル（宇宙における物質の分布と運動に関係する）を測定することであった。これは、一般相対性理論、重力磁気論、および関連モデルのテストを提供した。主任研究者はフランシス・エヴェリットであった。
初期の結果では、約 1% の精度で、予想された測地学的効果が確認されました。予想されたフレーム ドラッグ効果は、現在のノイズ レベルと同程度の大きさでした (ノイズは、当初モデル化されていなかったジャイロスコープの不均一なコーティングによる効果によって支配されていました)。これらのエラーの原因をモデル化して考慮する作業が続けられ、フレーム ドラッグ信号の抽出が可能になりました。フレームドラッグ効果は予想結果の15％以内で確認されており、[6 ] NASAの報告によれば、測地効果は0.5%以上であることが確認された。[7]
フィジカル・レビュー・レターズ誌に掲載された論文によると、著者らは、4つのジャイロスコープすべてのデータを分析した結果、測地ドリフト率は−6 601 .8 ± 18.3 mas / yrおよびフレームドラッグドリフト率は−37.2 ± 7.2 mas/yr、一般相対性理論の予測とよく一致している。−6 606 .1 ± 0.28% 質量/年およびそれぞれ−39.2 ± 0.19％mas/yrであった。[8]
概要
重力探査機BはNASAの資金援助を受けた相対性ジャイロスコープ実験である。この実験はスタンフォード大学物理学部が主導し、ロッキード・マーティンが主な下請け業者となった。ミッションの科学者たちは、この実験を2004年の重力探査機A（GP-A）の打ち上げ成功に続く宇宙での2番目の相対性実験とみなした。。
ミッション計画は、一般相対性理論の未検証の予測 2 つ、測地効果とフレーム ドラッグをテストすることだった。これは、高度 650 km (400 マイル) で軌道を回り、両極上空を直進する地球衛星に搭載された 4 つのジャイロスコープの回転方向のわずかな変化を非常に正確に測定することで達成されるはずだった。ジャイロスコープは、ほぼ完璧な時空参照システムを提供できるほど妨害を受けないように設計されていた。これにより、地球の存在によって空間と時間がどのように「歪む」か、また地球の自転が時空をどの程度「引きずる」かを明らかにすることができる。
測地効果は、地球の質量によって時空が「曲がる」ことによって生じる効果です。ジャイロスコープの軸を地球の周りを 1 回転で平行移動させた場合、その軸は前とまったく同じ方向を指すことはありません。角度の「ずれ」は、ジャイロスコープが時空曲率の傾斜に「傾く」量と考えることができます。測地歳差の空間曲率部分に関するより正確な説明は、ほぼ平らな円錐を使用して地球の重力場の空間曲率をモデル化することで得られます。このような円錐は、円から薄い「パイのスライス」を切り取り、切り口を接着して作られます。空間測地歳差は、失われた「パイのスライス」角度の尺度です。重力探査機 B は、この効果を 1/100 の精度で測定すると予想されていました。10 000、これは一般相対論の予測に対するこれまでで最も厳格なチェックです。
はるかに小さいフレームドラッグ効果は重力磁気の一例である。これは古典電気力学における磁気の類似物であるが、回転する電荷ではなく回転する質量によって引き起こされる。これまで、2つのLAGEOS衛星によって得られたレーザー測距データの分析は、2004年に発表された2つのみであった。そしては、フレームドラッグ効果をそれぞれ約20％と10％の精度で発見したと主張したが[9] [10] [11]、グラビティプローブBはフレームドラッグ効果を1％の精度で測定することを目指していた。 [12]マーズグローバルサーベイヤーのデータの最近の分析では、フレームドラッグ効果を0.5％の精度で確認したと主張しているが、この主張の正確性には異論がある。[13]
打ち上げはヴァンデンバーグ空軍基地で打ち上げられたが、上層大気の風の変化により、予定の打ち上げ時間から5分以内に中止された。このミッションの珍しい点は、実験に必要な正確な軌道のため、打ち上げ時間が1秒しかなかったことである。 PDT（ UTC ) 宇宙船は無事に打ち上げられ、衛星は午前 （南極上空を巡航し、2回目の短い噴射を行った後、地球に帰還した。ミッションは16か月続いた。
いくつかの予備的な結果は、アメリカ物理学会の特別セッションで発表された。NASAは当初、GP-Bのデータ分析フェーズを延長する提案を要請した。データ分析段階はさらに延長され、リチャード・フェアバンク、スタンフォード、NASAからの資金援助を受け、それ以降はNASA以外の資金援助のみを受ける。[6]最終的な科学的結果は。
実験のセットアップ
重力探査機 B実験は、ロンドン モーメント ジャイロスコープ4 台と、ペガスス座の連星IMペガススに照準を合わせた基準望遠鏡1 台で構成されていました。極軌道では、ジャイロの回転方向も IM ペガススに向いており、フレーム ドラッグ効果と測地効果は直角に現れ、各ジャイロスコープが両方を測定しました。
ジャイロスコープは超流動ヘリウムのデュワー瓶に収められ、2ケルビン（-271 ℃、-456 ℉）以下の温度に保たれていた。分子干渉を最小限に抑え、ジャイロスコープ機構の鉛とニオブの部品を超伝導状態にするには、絶対零度に近い温度が必要だった。
製造当時、ジャイロスコープはこれまで作られた中で最も球形に近い物体でした（2つのジャイロスコープが今でもその記録を保持していますが、3位はアボガドロプロジェクトで作られたシリコン球です）。ピンポン玉ほどの大きさで、40原子以内（球体の直径は10 nmである。もしこれらの球体を地球の大きさにスケール変換すると、最も高い山と最も深い海溝の高さでも 2.4 m (8 フィート) にしかなりません。[15]球体は溶融石英でできており、非常に薄いニオブの層で覆われています。主な懸念事項は、回転への影響を最小限に抑えることであったため、ジャイロスコープが球体の収納部に触れることはありませんでした。球体は電界で吊り下げられ、ヘリウムガスの流れで回転し、回転軸は超伝導ニオブ層の磁場をSQUIDで監視することで感知されました。(回転する超伝導体は、回転軸と正確に一致する磁場を生成します。ロンドン モーメントを参照。)
IM ペガスス座がガイド星として選ばれたのには、いくつかの理由があります。まず、観測に使用できるほど十分に明るいことが必要でした。次に、天の赤道近くの理想的な位置に近かったことです。また、この星が比較的強い電波信号を発しているという事実によって、空での動きがよく理解されていることも重要でした。このミッションの準備として、天文学者は、必要なだけ正確にその動きを理解するために、数年にわたって行われた遠方のクエーサーに関する電波ベースの位置測定を分析しました。
歴史
このミッションの概念設計は、米国国防総省で働いていたMIT教授のジョージ・ピューによって最初に提案されました。その後、レナード・シフ（スタンフォード大学）によって議論された。ピューの提案により、シフが1960年に書いたフレームドラッグの検出に関する理論的な論文に基づいて、NASAに提案されたのは彼らは資金援助でプロジェクトを支援した。この助成金は衛星の基本的な要件とツールに関する 長期にわたるエンジニアリング研究を経て。
でNASAはスペースシャトルの計画を変更し、ミッションチームはシャトルベースの打ち上げ設計からデルタ2ベースのものに変更せざるを得なくなり、シャトル飛行での試作機のテストも予定されていたが、これも中止された。
グラビティ・プローブBは、スタンフォード大学がNASAの資金提供を受けた宇宙衛星の開発と運用を管理する初めてのケースとなる。
プロジェクトの総費用は約7億5000万ドルであった。[16]
ミッションタイムライン
これは GP-B 実験の主要なイベントのリストです。
- ヴァンデンバーグ空軍基地から GP-B が打ち上げられ、極軌道への投入に成功しました。
- GP-B は科学段階に入りました。ミッション 129 日目には、すべてのシステムがデータ収集の準備が整いましたが、唯一の例外は、さらにスピン軸の調整が必要なジャイロ 4 でした。
- ミッションの科学段階は終了し、宇宙船の機器は最終調整モードに移行しました。
- 較正段階は、液体ヘリウムがデュワー瓶に残ったまま終了しました。宇宙船は、液体ヘリウムがなくなるまで科学モードに戻りました。
- データ分析の第1フェーズが完了
- 解析チームは、（特にジャイロのポルホデ運動に関する）より多くの誤差解析が、NASAに資金の延長を申請し、。
- データ分析フェーズIIIの完了
- これまでに得られた最良の結果の発表。フランシス・エヴェリットはアメリカ物理学会の総会で、初期結果を発表する全体講演を行った。[17]「GP-B ジャイロスコープのデータは、アインシュタインが予測した測地効果を 1 パーセント以上の精度で明確に裏付けています。しかし、フレームドラッグ効果は測地効果の 170 分の 1 であり、スタンフォード大学の科学者は宇宙船データからその特徴をまだ抽出中です。」[18]
- GP-B宇宙船は642km（399マイル）の極軌道上に残され、廃止された。[19]
- GP-Bの最終実験結果が発表された。NASA本部で行われた記者会見で、GP-Bの主任研究員であるフランシス・エヴェリットが重力探査機Bの最終結果を発表した。[20]
- 査読付き学術誌「Classical and Quantum Gravity」にGP-B特別号（第32巻第22号）が出版された。[21]
の上、いくつかの予想外のシグナルが受信され、最終結果を発表する前にこれらを分離する必要があることが発表されました。ジャイロスコープの回転軸はトルクの影響を受け、その変化は時間とともに変化するため、この誤差要因を修正するにはさらなる分析が必要であることが発表された。その結果、データの最終発表日は数回延期された。アメリカ物理学会の会議で発表されたランダム誤差は理論上の期待値よりもはるかに大きく、ゼロ結果のプラス側とマイナス側の両方に散らばっていたため、将来この効果をテストするために有用なデータが抽出できるかどうかについて懐疑的な見方が生じました。
で、問題の原因と、取り組んでいる解決策を説明する詳細なアップデートがリリースされました。球体の不均一なコーティングによって生じる静電パッチは予想されており、実験前に制御されていると考えられていましたが、その後、球体のコーティングの最終層がわずかに異なる接触電位の2つの半分を定義し、球体に静電軸を与えることがわかりました。これにより、各ローターに、予想されるフレームドラッグ効果と同程度の古典的な双極子トルクが作成されました。さらに、ハウジング電極に電流を誘導することで、ポルホデの動きからエネルギーが散逸し、動きが時間とともに変化しました。これは、単純な時間平均ポルホデモデルでは不十分であり、影響を除去するために詳細な軌道ごとのモデルが必要であったことを意味しました。「何でもうまくいかない可能性がある」と予想されたため、飛行ミッションの最後の部分は較正であり、他の活動の中でも、宇宙船の軸を意図的にずらしてデータを収集しました。、潜在的な問題を悪化させる可能性があります。このデータは、影響を特定するのに非常に貴重であることがわかりました。軸のずれの関数としてモデル化された静電トルクと、十分に細かいレベルでモデル化されたポローデの動きにより、相対トルクを当初予想された解像度に分離することが期待されました。
スタンフォードは、生データを将来の未定の日付で一般に公開することに同意しました。このデータは、プロジェクトの科学者による最終リリースのかなり後に、独立した科学者によって調査され、独立して一般に報告される可能性があります。GP-B 以外の科学者による将来のデータの解釈は公式の結果と異なる可能性があるため、GP-B が受け取ったすべてのデータが完全に理解されるまでにはさらに数年かかる可能性があります。[更新が必要]
NASAのレビュー
NASAが委託した15人の専門家による検討委員会は、データ分析段階を延長しないことを勧告した。彼らは、（古典的なトルクと太陽フレアによるデータ収集の中断による）ノイズレベルの必要な低減が「非常に大きいため、この実験で最終的に検出される効果は、科学界における相当な（そして我々の意見では十分に正当化される）懐疑論を克服しなければならないだろう」と警告した。[22]
NASAによるデータ分析
NASAの資金援助とプログラム後援は終了しました。しかし、GP-Bはサウジアラビアのキング・アブドゥルアズィーズ科学技術都市[6]から代替資金を確保し、科学チームは少なくとも2012年まで研究を続けることができた。。 の上、進捗状況を報告するために、外部のGP-B科学諮問委員会の第18回会議がスタンフォードで開催されました。
スタンフォード大学の分析グループとNASAは、GP-Bのデータは確かにアルバート・アインシュタインの一般相対性理論の2つの予測を裏付けている。[23]この発見はPhysical Review Letters誌に掲載された。[8] GP-B後のフレームドラッグのさらなる実験的測定の見通しはEurophysics Letters誌で論評された。[24]
参照
参考文献
- ^ abcdef 「Gravity Probe B」（PDF）。NASA Facts。NASAとスタンフォード大学。2005年2月。 2011年3月17日閲覧。
- ^ abc 「宇宙船の軌道：重力探査機B」。国立宇宙科学データセンター。2004年。 2015年1月18日閲覧。
- ^ G. Hanuschak、H. Small、D. DeBra、K. Galal、A. Ndili、P. Shestople。「Gravity Probe B GPS Orbit Determination with Verification by Satellite Laser Ranging」（PDF） 。 2011年3月17日閲覧。
- ^ 「よくある質問」。Gravity Probe B。スタンフォード大学。宇宙船とミッション運用に関する質問への回答: 1. GP-B はいつ、どこで打ち上げられましたか。また、打ち上げの写真、ビデオ、ニュースクリップはどこで入手できますか。 2009 年5 月 14 日閲覧。
- ^ 「よくある質問」。Gravity Probe B。スタンフォード大学。宇宙船とミッション運用に関する質問への回答: 4. 軌道上の宇宙船を制御するための GP-B ミッション運用センター (MOC) はどこにありますか? 。2009 年5 月 14 日閲覧。
- ^ abc Gugliotta, G. (2009年2月16日). 「宇宙での相対性理論のテストでパーセベランスが成果を上げる」ニューヨークタイムズ。 2009年2月18日閲覧。
- ^ Everitt, CWF; Parkinson, BW (2009). 「Gravity Probe B の科学的成果 - NASA 最終報告書」(PDF) 。2009 年5 月 2 日閲覧。
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- ^ Devin Powell (2011年5月4日). 「Gravity Probe B finally pays off」. Science News . 2012年9月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年5月7日閲覧。
- ^ 「エキサイティングな4月の全体会議 – 4月14日土曜日」。2007年2月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2006年11月16日閲覧。
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- ^ Clifford M Will (2015年11月17日). 「Focus issue: Gravity Probe B」.古典重力と量子重力. 32 (22). IOP: 220301. Bibcode :2015CQGra..32v0301W. doi : 10.1088/0264-9381/32/22/220301 .
- ^ Hecht, J. (2008年5月20日). 「重力探査機B、NASAの審査で「F」の評価を受ける」. New Scientist . 2008年5月20日閲覧。
- ^ 「スタンフォードの重力探査機Bが2つのアインシュタインの理論を確認」スタンフォードニュース。スタンフォード大学。2011年5月4日。
- ^ L. Iorio (2011 年 11 月). 「GP-B の最終結果後のフレームドラッグ検出に関する現在の結果に関するいくつかの考察」. Europhysics Letters . 96 (3): 30001. arXiv : 1105.4145 . Bibcode :2011EL.....9630001I. doi :10.1209/0295-5075/96/30001. S2CID 118532421.
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、 Gravity Probe Bに関連するメディアがあります。
- NASAのGravity Probe Bウェブサイト 2022年1月22日アーカイブ、Wayback Machineより
- スタンフォード大学の重力探査機Bのウェブサイト
- 重力プローブBの仕組みの図解
- NASA GP-B 発射場
- グラビティ・プローブBで使用された技術に関するNASAの記事
- Wayback Machineのフレーム ドラッグ(2009 年 9 月 22 日アーカイブ)
- 一般相対論的フレームドラッグ
- プロジェクトの進捗状況に関する一般人による記事
- IOP 古典および量子重力、第 32 巻、第 22 号、重力プローブ B に関する特別特集号
- 重力探査機 B コレクション、アラバマ大学ハンツビル校アーカイブおよび特別コレクション