Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 17 – vyšlo 26. dubna, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

17/2004

Létající termoska – Gravity Probe B

Petr Kulhánek

Dokážete si představit obří termosku na oběžné dráze? A v jejím nitru pouzdro s protáhlou dokonale stíněnou měřící sondou? A v té měřící sondě čtyři malé rotující kuličky o velikosti pingpongového míče? Pak zhruba víte, jak vypadá družice Gravity Probe B, která slouží k ověřování základních principů Einsteinovy obecné teorie relativity.

Obecná relativita - teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1916. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé hmotné těleso svojí přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Geodetika - nejrovnější možná dráha v zakřiveném časoprostoru. Po této dráze se pohybují všechna volná hmotná tělesa bez rozdílu. Červený gravitační posuv - závislost frekvence fotonů na vzdálenosti od tělesa. Fotony opouštějící těleso snižují svou frekvenci (červenají), naopak fotony přibližující se k tělesu zvyšují svou frekvenci (modrají). Jev je způsoben změnou rychlosti chodu hodin v blízkosti hmotných těles. Lensův-Thirringův jev (frame dragging) - strhávání lokálního souřadnicového systému rotujícím tělesem. Jde o podobný jev, jako je strhávání viskózní kapaliny v blízkosti rotujícího tělesa. Jev odvodili z rovnic obecné relativity Joseph Lense a Hans Thirring v roce 1918. Londonův magnetický moment - vzniká v rotujícím supravodiči. Právě tento moment slouží k měření směru osy gyroskopu. Je pojmenován podle Fritze Londona (1900-1954), teoretika, který se zabýval supravodivostí a kvantováním magnetického toku. SQUID - Superconducting QUantum Interference Device, elektronické zařízení sloužící k vyhodnocování polohy osy gyroskopu z měření magnetického momentu gyroskopu. HEPL - Hansen Experimental Physics Laboratory, laboratoř ve Stanfordské univerzitě, ve které byla připravena družice Gravity Probe B. Dewarova nádoba - vakuově izolovaná nádoba s odrazivým vnitřním povrchem. Dewarova nádoba obsahující chladící médium se nazývá kryostat. Apertura - vstupní otvor (clona) dalekohledu. Tavený křemen - amorfní forma křemene, která vznikne jeho přetavením do bílého žáru a následným ochlazením. Tavený křemen je bezbarvý, průhledný a stabilní.

Gravity Probe A

Historickým předchůdcem současné družice je Gravity Probe A, která měla za úkol přesné proměření gravitačního červeného posuvu. Družice byla společným projektem Marschalova kosmického letového centra (NASA) a Astrofyzikální observatoře Smithonova úřadu. Na suborbitální oběžnou dráhu byla vynesena raketou Scout-D1 dne 18. června 1976 z Wallopova letového centra ve Virginii. Dráha družice byla volena tak, aby prošla co největším rozdílem gravitačního potenciálu – byla silně eliptická s bodem obratu 10 000 km nad zemí. Družice byla ve vesmíru pouhých 55 minut, poté řízeně spadla do Atlantiku. Na družici byl umístěn jako hlavní měřící zařízení (hodiny) vodíkový MASER, stejný MASER byl pro srovnání naměřených údajů umístěn na povrchu Země. S relativní přesností 2×10⁻⁴ byl zjištěn souhlas naměřených údajů s obecnou relativitou.

Gravity Probe B

Gravity Probe B je družice určená k ověřování základních myšlenek obecné relativity. Celý kolos váží 3 400 kg a byl naveden na polární oběžnou dráhu 20. dubna 2004 z Vandenbergovy letecké základny v jižní Kalifornii. Zemi obíhá ve výšce 640 km. Základem družice je Dewarova nádoba s 2,5 m³ hélia, které po dobu jednoho roku uchladí pracovní prostor na teplotu 1,8 K. V ose Dewarovy nádoby je v olověném plášti zabudováno pouzdro s měřící sondou, která se skládá ze dvou pevně spojených částí: 53 cm dlouhého bloku taveného křemene se čtyřmi gyroskopy a naváděcího dalekohledu. Na vnější části Dewarovy nádoby jsou namontovány panely slunečních baterií a protisluneční clona dalekohledu.

 

Dewarova nádoba po převezení z Lockheedu do stanfordské laboratoře HEPL.
Foto:  Russ Underwood, Lockheed Martin Corporation.

Srdcem družice jsou čtyři gyroskopy skládající se z pouzdra a rotoru. Každý gyroskop je umístěn v samostatném válcovém otvoru v bloku taveného křemene. Rotory gyroskopů připomínají pingpongové míčky. Mají průměr 3,8 cm a jejich výrobě byla věnována mimořádná pozornost. Jsou z taveného brazilského křemene a povrch mají vyleštěn s přesností pouhých čtyřiceti atomárních vrstev (0.01 μm). Na rotorech je nanesena tenká vrstvička niobu, který je za pracovní teploty supravodivý. Rotory jsou téměř ideálně sférické (jak mechanicky, tak elektricky) a jsou vyrobeny z mimořádně homogenního materiálu.

Otáčení supravodivého materiálu (niobu na povrchu rotorů) vytváří nenulový magnetický moment (Londonův moment), který je měřen vodivou smyčkou zabudovanou v pouzdře gyroskopu. Smyčka je spojená s měřící elektronikou SQUID a umožňuje přesně zjistit osu rotace gyroskopu. Pouzdro gyroskopu se skládá ze dvou polokulových částí.

Blok taveného křemene, ve kterém jsou zabudovány gyroskopy, je pevně spojený s malým naváděcím dalekohledem o průměru aperturní clony 14 cm a délce 36 cm. Dalekohled po celou dobu pozorování sleduje vybranou naváděcí hvězdu (IM Pegasi). K této hvězdě míří i rotační osy všech gyroskopů, dva rotují v jednom směru a zbývající v opačném.

Nalevo: Gyroskop s rotorem a oběma částmi pouzdra. Napravo: detail obložení
gyroskopu a rotor. Foto - Stanford Univerzity.

Speciálně připravený blok taveného křemene. V prostřední a pravé části jsou patrné
válcové tunely pro umístění gyroskopů. Krabičky s měřící elektronikou SQUID jsou
připevněny  vně křemenného bloku souběžně s tunely. Délka celého bloku je 53 cm.

Měřící elektronika SQUID. Do této krabičky je přiváděn signál z měřící
smyčky umístěné kolem rotoru gyroskopu. Měřítko je v palcích.

Podle obecné teorie relativity dojde k stáčení rotační osy gyroskopů v prostoru díky dvěma jevům. První souvisí s pohybem v časoprostoru deformovaném naší Zemí, druhý se strháváním lokálního souřadnicového systému díky rotaci Země (Lensův-Thirringův jev). Oba jevy poslouží k detailnímu testování obecné teorie relativity. Pohyb pokřiveným časoprostorem stočí rotační osu o 6.6″ za rok, strhávání souřadnicového systému rotací o pouhých 0.042″ za rok. Osy obou úhlových odchylek jsou navzájem kolmé.

Odchylky rotační osy gyroskopu způsobené pohybem po geodetice a Lensovým-Thirringovým jevem (frame dragging). Obě odchylky jsou navzájem kolmé a ve skutečnosti velmi malé.

Družice je výsledkem čtyř desetiletí pečlivých příprav. Testování obecné relativity pomocí rotujících gyroskopů navrhl v roce 1959 Leonard Schiff ze Stanfordské university. Ta se také stala hlavním aktérem vyslání družice na oběžnou dráhu. Ve výpočetním centru v kampusu univerzity se budou zpracovávat všechna data vysílaná družicí. Při přípravě družice byly použity nejnovější známé technologie, družice byla sestavena v prostředí s čistotou třídy 10 podle amerických předpisů. Dokonale opracované součástky by mohly poškodit již mikrometrová zrnka prachu.

Životnost družice se odhaduje na jeden až dva roky a doufejme, že měření družice vejdou do dějin jako jeden ze základních testů Einsteinovy obecné teorie relativity.

Základní parametry Gravity Probe B
Start	20. 4. 2004
Hmotnost družice	3 400 kg
Dráha, výška dráhy nad Zemí	polární, 640 km
Délka družice	7 m
Obvod družice	2,8 m
Pracovní teplota	1,8 K
Chlazení	2,5 m3 hélia
Průměr rotoru gyroskopu (kuličky)	3,8 cm
Rotační frekvence	10 000 ot./min
Stabilita gyroskopů	10−11 °/hod
Přesnost měření směru rotační osy	10−4 ″
Naváděcí hvězda	HR 8703 (IM Pegasi)
Délka naváděcího dalekohledu	36 cm
Apertura naváděcího dalekohledu	14 cm
Předpokládaná změna osy rotace gyroskopu vlivem zakřivení časoprostoru	6,6″ za rok
Předpokládaná změna osy rotace gyroskopu vlivem rotace Země (strhávání časoprostoru)	0,042″ za rok

Odkazy