2018-12-05 21:16:01
伽利略卫星证明了爱因斯坦的相对论还具有最高的精度

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欧洲的伽利略卫星导航系统 - 已经为全球用户服务 - 现在已经为全球物理界提供了历史性的服务,能够最准确地测量重力变化如何改变时间的流逝,这是爱因斯坦广义相对论的关键要素。

两个欧洲基础物理团队并行工作,独立地实现了重力驱动时间膨胀效应测量精度的五倍改进,称为“引力红移”。

着名的“物理评论快报”杂志刚刚公布了从这两个联盟获得的独立结果,这些结果是从一对伽利略卫星在细长轨道上获得的数千天数据中收集而来的。

“对ESA来说,看到我们原本期望这样的结果在理论上可能已经在实践中得到证实,提供了40多年来引力红移测试的首次报道,这是非常令人满意的,”Javier Ventura评论道。 Traveset,欧洲航天局伽利略航海科学办公室负责人。

“由于伽利略卫星的独特功能,这些非凡的成果得以实现,特别是它们的机载原子钟具有非常高的稳定性,在轨道测定中可达到的精度以及激光 - 后向反射器的存在,这些都能够实现从地面进行独立且非常精确的轨道测量,是解开时钟和轨道误差的关键。“

这些平行的研究活动,即GREAT(伽利略引力红移实验与偏心sATellites)分别由法国巴黎SYRTE Observatoire和德国应用空间技术和微重力ZARM中心领导,由ESA的伽利略导航科学办公室协调,并通过它的基本活动。

不幸的事故导致幸福的结果

这些发现是一次不愉快事故的幸福结果:早在2014年,伽利略卫星5号和6号被一个发生故障的联盟上层阶段搁浅在不正确的轨道上,阻碍了它们用于航行。欧空局的飞行控制员开始行动,在太空中进行大胆的打捞,以提高卫星轨道的低点并使其更加圆形。

一旦卫星获得整个地球盘的视图,它们的天线就可以锁定在它们的家园中,并且它们的导航有效载荷确实可以打开。这些卫星目前作为伽利略搜索和救援服务的一部分使用,而作为名义伽利略行动的一部分,这些卫星目前正由欧空局和欧洲委员会进行最终评估。

然而,它们的轨道仍然是椭圆形的,每颗卫星每天爬两次8500公里。正是这些高度的常规变化,以及重力水平,使得卫星对研究团队如此宝贵。

重演爱因斯坦的预测

阿尔伯特·爱因斯坦在一个世纪前预测,时间会越来越慢地接近一个巨大的物体,这个发现已经经过多次实验验证 - 最重要的是在1976年发射了重力探测器 - 亚轨道火箭上的氢脉泽原子钟10 000公里进入太空,确认爱因斯坦的预测在百万分之140以内。

实际上,导航卫星上的原子钟必须已经考虑到它们在轨道上运行速度比在地面上运行得快的事实 - 每天达到十分之几微秒,这将导致每天大约10公里的航行误差,如果未经修正。

这两支队伍依靠每个伽利略上的被动氢脉泽(PHM)时钟的稳定计时 - 在三百万年内稳定到一秒钟 - 并且不受全球伽利略地面部分的漂移影响。

“伽利略卫星携带被动氢脉冲时钟的事实对于这些测试的准确性至关重要,”不来梅大学应用空间技术和微重力学ZARM中心的Sven Hermann指出。

“虽然每颗伽利略卫星都携带两个铷和两个氢脉冲时钟,但其中只有一个是有源传输时钟。在我们观察期间,我们将重点关注卫星使用PHM时钟进行传输并评估质量的时间段。这些珍贵的数据非常谨慎。处理过程中的持续改进,特别是钟表的建模,可能会导致未来的结果收紧。“

完善结果

三年工作的一个关键挑战是通过消除由于地球赤道隆起,地球磁场的影响,温度变化甚至微妙但持久的因素等时钟误差和轨道漂移等系统效应来改进引力红移测量。推动阳光本身,被称为“太阳辐射压力”。

“对这些系统误差进行仔细和保守的建模和控制至关重要,在13个小时的卫星轨道周期内稳定性低至4皮秒;这是百万分之一秒的百万分之四,”巴黎SYRTE天文台的PacômeDelva 。

“这需要得到许多专家的支持,尤其是他们对欧洲航天局的专业知识,这得益于他们对伽利略系统的了解。”

国际激光测距服务部门实现了精确的卫星跟踪,激光照射到Galileos的后向反射器,进行厘米级轨道检查。

欧洲航空航天局在德国的ESOC运行中心的导航支持办公室也得到了大力支持,该专家为两颗伽利略偏心卫星生成了参考稳定的时钟和轨道产品,并确定了激光测量后轨道的残余误差。

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