Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 24 – vyšlo 6. června, ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

24/2008

Gravity Probe B – o neslavném konci jedné slavné sondy

Petr Kulhánek

Obecná teorie relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. se spolu s kvantovou teorií stala jedním ze dvou pilířů současné fyziky. Po roce 1916, kdy ji Albert Einstein publikoval, si ne vždy jednoduše hledala své místo ve fyzice. Dnes je uznávanou teorií gravitace – gravitační působení nahrazuje zakřivením časoprostoru, ve kterém se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách (geodetikáchGeodetika – nejrovnější možná dráha v zakřiveném časoprostoru. Po této dráze se pohybují všechna volná hmotná tělesa bez rozdílu.). Nový přístup ke gravitaci znamenal prvopočáteční velký boj. Obecná relativita však světu dala vysvětlení řady jevů, s nimiž by si Newtonovo pojení gravitace neporadilo. Jmenujme alespoň některé: stáčení periheliaPerihelium – přísluní, bod na eliptické dráze kolem Slunce, který je Slunci nejblíže. Obdobně perigeum je stejný bod na orbitě kolem Země a periluna na orbitě kolem Měsíce. planet, zakřivení světelného paprsku v blízkosti hmotných těles, gravitační čočkyGravitační čočka – efekt gravitační čočky předpověděl v roce 1924 ruský fyzik Orest Chvolson a v roce 1936 Albert Einstein. Hmotný objekt (zpravidla velká galaxie) ležící mezi zdrojem záření a pozorovatelem zakřivuje světelné paprsky podobně jako skleněná čočka v laboratoři. Jsou-li objekty dokonale na přímce, vznikne jako obraz vzdálené galaxie tzv. Einsteinův prstenec. Jsou-li objekty mimo osu, vznikne buď oblouk, několikanásobný obraz nebo zdeformovaný obraz vzdálené galaxie či kvazaru. První gravitační čočka byla objevena v roce 1979., černé díryČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují., expanze vesmíru, červený gravitační posuvČervený gravitační posuv – závislost frekvence fotonů v důsledku působení gravitačního pole. 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., kosmologický posuvKosmologický posuv – posuv spektrálních čar k červenému konci spektra díky rozpínání vesmíru. Při rozpínání dochází nejen ke vzájemnému vzdalování galaxií, ale i k prodlužování vlnových délek záření. Spektrum vzdálených objektů ve vesmíru se tak jeví posunuté směrem k červené až infračervené oblasti. Kosmologický červený posuv je definován předpisem z = (λ − λ₀)/λ₀, kde λ₀ je vlnová délka spektrální čáry v okamžiku vyslání paprsku, λ je vlnová délka téže spektrální čáry v okamžiku zachycení paprsku. Malé kosmologické červené posuvy lze interpretovat pomocí Dopplerova jevu. U velkých posuvů závisí vzdálenost objektu na parametrech expanze vesmíru (Hubbleově konstantě, křivosti, procentuálním zastoupení temné energie atd.) a není jednoduché z naměřeného kosmologického posuvu vzdálenost přesně určit. Proto se většinou časové období udává pouze hodnotou naměřeného kosmologického posuvu. a další. Z velkých předpovědí obecné relativity nejsou dodnes přímo pozorovány jen dvě: gravitační vlnyGravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci od 0,1 mHz do 10 kHz. K první přímé detekci gravitačních vln došlo dne 14. září 2015. Gravitační záblesk ze splynutí dvou černých děr středních hmotností ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků zachytily oba americké přístroje LIGO. a strhávání časoprostoru rotujícím tělesem (Lenseův-Thirringův jevLenseův-Thirringův jev – strhávání lokálního souřadnicového systému rotujícím tělesem (frame dragging). Jev si lze představit jako strhávání viskózní kapaliny v blízkosti rotujícího tělesa. Jev odvodili z rovnic obecné relativity Joseph Lense a Hans Thirring v roce 1918.). Oba dva jevy byly pozorovány nepřímo a u obou dvou je vyvíjeno značné experimentální úsilí o jejich přímé pozorování.

Nápis na budově Sanfordské univerzity, ve které byla sonda připravována.

Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Lenseův-Thirringův jev – strhávání lokálního souřadnicového systému rotujícím tělesem (frame dragging). Jev si lze představit jako strhávání viskózní kapaliny v blízkosti rotujícího tělesa. Jev odvodili z rovnic obecné relativity Joseph Lense a Hans Thirring v roce 1918. NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.

Gravity Probe B je družice, jejímž úkolem bylo přímé pozorování Lenseova-Thirringova jevuLenseův-Thirringův jev – strhávání lokálního souřadnicového systému rotujícím tělesem (frame dragging). Jev si lze představit jako strhávání viskózní kapaliny v blízkosti rotujícího tělesa. Jev odvodili z rovnic obecné relativity Joseph Lense a Hans Thirring v roce 1918.. Podrobně jsme o tomto experimentu psali v Aldebaran Bulletinu 17/2004, takže se zde omezíme jen na stručné shrnutí faktů. Družice vznikla za spolupráce NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. a Stanfordské univerzity, startovala 20. 4. 2004 a byla navedena na polární oběžnou dráhu ve výšce 640 km. Srdcem družice byly 4 gyroskopy o velikosti pingpongového míčku. Gyroskopy byly umístěny v magnetických pouzdrech a otáčely se za teploty okolního kapalného heliaHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi.. Povrch gyroskopů byl vyroben z niobuNiob – Niobium, přechodový kovový prvek, který nachází využití v elektronice a metalurgii při výrobě speciálních slitin. Při teplotách nižších než 9,26 K a magnetických polích pod 410 mT je supravodivý. Niob byl objeven roku 1801 Charlesem Hatchttem v minerálu kolumbitu a byl pojmenován podle Niobe, dcery bájného krále Tantala., ten je za nízkých teplot supravodivý a generuje magnetický moment, pomocí kterého byl elektronicky zjišťován směr rotační osy gyroskopů. Rotující ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. by měla strhávat časoprostor natolik, že za rok by se měla osa gyroskopů pomocí tohoto jevu odklonit o 42 tisícin obloukové vteřiny. Jde o nesmírně malý úhel, ale autoři projektu předpokládali, že měřitelný. Družice je výsledkem čtyř desetiletí pečlivých příprav. Testování obecné relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. pomocí rotujících gyroskopů navrhl v roce 1959 Leonard Schiff ze Stanfordské university. Ta se také stala hlavním aktérem vyslání družice na oběžnou dráhu.

Gravity Probe B letící kolem Země. Zdroj: Stanford University.

Vědecká veřejnost očekávala po roce měření brzké zveřejnění výsledků. Nestalo se tak ale ani v roce 2006, ani v roce 2007. Na www stránkách družice se vždy objevily kusé zprávy o pečlivém zpracovávání dat, odstraňování šumu a další možný termín zveřejnění výsledků. Termíny byly s postupem času stále vágnější a začínalo být zřejmé, že družice pracovala na hranici možností změření Lenseova-Thirringova jevuLenseův-Thirringův jev – strhávání lokálního souřadnicového systému rotujícím tělesem (frame dragging). Jev si lze představit jako strhávání viskózní kapaliny v blízkosti rotujícího tělesa. Jev odvodili z rovnic obecné relativity Joseph Lense a Hans Thirring v roce 1918. a že se zpracování dat potýká se závažnými problémy. Postupně prosákly na veřejnost problémy družice v plné šíři. Šum ze slunečních vzplanutí v roce 2005 dvakrát přerušil pozorování družice a neočekávané torzní síly dokonce změnily orientaci gyroskopů! Otáčející se gyroskopy podléhaly i dalším systematickým odchylkám od správného směru. Tým ze Stanfordovy univerzity se po celou dobu snažil tyto problémy neúspěšně překonat.

NASA si každoročně nechává vypracovat rozbor svých vědeckých projektů zvaný „Senior Review“ od předních amerických odborníků. Poslední je z 22.–25. 5. 2008 a všech patnáct odborníků se shodlo, že k úspěšnému pozorování by sonda musela mít desetinásobnou přesnost a že není jistota, zda tým ze Stanfordovy univerzity může z měřených dat získat smysluplné výsledky. Z těchto důvodů tato „Rada starších“ nedoporučila další financování projektu. Fakticky to znamená konec sondy, která stála 750 milionů amerických dolarů.

Příprava družice na Stanfordské univerzitě.

Klip týdne: Lenseův-Thirringův jev

Lenseův-Thirringův jev. V obecné relativitě tělesa zakřivují časoprostor kolem sebe a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách – geodetikách. Rotující těleso časoprostor kolem sebe nejenom zakřivuje, ale i strhává, tomuto jevu říkáme Lenseův-Thirringův jev. Leonard Schiff a George Pugh nezávisle na sobě v roce 1959 navrhli, že by toto strhávání mělo být měřitelné pomocí stáčení osy rotujícího setrvačníku, který krouží spolu s družicí na polární dráze. Osa rotujícího setrvačníku by se měla stáčet v rovníkovém směru o nepatrný úhel (ve výšce 640 km jde o 0,042" za rok). Přes tento jev se překládá mnohem větší (6,6" za rok) stáčení osy setrvačníku ve směru poledníků způsobené pohybem po geodetice. Oba jevy se neúspěšně pokusila v letech 2004–2008 změřit americká sonda Gravity Probe B. Ukázalo se, že její citlivost nebyla dostatečná. (wmv, 20 MB)

Odkazy