במסיבת עיתונאים שלשום במטה המרכזי של נאסא, חוקרים מסטנפורד הכריזו על תוצאות שמאמתות שני אפקטים חשובים מתורת היחסות הכללית של אינשטיין; תוצאות להן חיכו זמן רב מרכב החלל Gravity Probe B (GP-B): האפקט הגיאודטי ואפקט גרירת המרחב (לנס-טירינג) מהיחסות הכללית
במסיבת עיתונאים שלשום במטה המרכזי של נאסא, חוקרים מסטנפורד הכריזו על תוצאות שמאמתות שני אפקטים חשובים מתורת היחסות הכללית של אינשטיין; תוצאות להן חיכו זמן רב מרכב החלל Gravity Probe B (GP-B): האפקט הגיאודטי ואפקט גרירת המרחב (לנס-טירינג) מהיחסות הכללית
האפקטים היחסותיים שאומתו
רכב החלל גרביטי B שוגר ב-20 לאפריל 2004 והוא פותח ותוכנן כדי לבדוק שני ניבויים מתורת היחסות הכללית של אינשטיין:
1) ה"אפקט הגיאודטי": זהו מושג טכני לתיאור התופעה של עקמומיות החלל-זמן בסביבות כדור הארץ, שנגרמת על ידי מסתו של כדור הארץ. למעשה עקמומיות החלל-זמן בסביבות גוף כבידתי כלשהו.
2) אפקט גרירת מרחב (לנס-טירינג): כדור הארץ המסתובב גורר יחד איתו את החלל-זמן.
ב-1960 הפיסיקאי התיאורטי לאונרד שיף (Schiff), ראש המחלקה לפיסיקה באוניברסיטת סטנפורד הציע את התסריט הבא: גירוסקופ אידיאלי המצוי במסלול סביב כדור הארץ, או סביב גוף מסיבי אחר, סובל משתי סוגי פרצסיה (נקיפה) יחסותית ביחס למערכת ייחוס רחוקה שלא סובלת מהפרעה:
1) פרצסיה גיאודטית במישור המסלול (למשל של כדור הארץ והירח סביב השמש) עקב עקמומיות לוקאלית של המרחב-זמן.
2) פרצסיה גרירת מרחב עקב סיבוב כדור הארץ.
האפקט האחרון של שיף קשור – אבל לא ממש זהה – לאפקט לנס-טירינג, אפקט גרירת מישור המסלול של לווין סביב פלנטה מסתובבת, כפי שחישבו ב-1918 לנס וטירינג. שיף נתן משוואה לפרצסיה של הגירוסקופ בתורת היחסות של אינשטיין. נאסא ב-1963 התעניינה בפרויקט של שיף (כמה שנים לפני השיגור לירח?...) כדי לאמת את תורת היחסות של אינשטיין.
המשוואה של שיף מכילה שתי תרומות, הראשונה היא האפקט הגיאודטי ואילו השנייה אפקט גרירת המרחב. עבור האפקט הגיאודטי יש צורך לקחת בחשבון את הפחיסות של כדור הארץ, שמשנה גם את המסלול וגם את האיבר שמייצג את האפקט במשוואה.
במסלול של 642 ק"מ של ה- GP-Bהפרצסיה הגיאודטית שמנובאת מהמשוואה של שיף היא 6,606 מילי ארק-שניות לשנה. וגרירת המרחב היא 0.39 מילי ארק-שניות לשנה. GP-B תוכנן למדוד את שני האפקטים עד לדיוק, שהוא קטן מ-0.5 מילי ארק-שניות לשנה. זה כמו למדוד עובי של נייר המצוי במרחק של כמאה מיליון קילומטרים מכאן.
הטכנולוגיה
רכב החלל בדק ניבויים אלה באמצעות גירוסקופים אולטרא מדויקיים במסלול סביב כדור הארץ. איסוף הנתונים החל ב-28 לאוגוסט, 2004 ומשימות המדע הסתיימו ב-29 לספטמבר, 2005. בחינת הנתונים הוכחה כמסובכת יותר משחשבו. החוקרים גילו שתי אנומליות תפקודיות במנוע של הגירוסקופ ובמתקן שלו, דבר שהוביל לסיבוכים ולשינויים בפרמטרים הפיסיקאליים שנמדדו.
הניסויים ברכב החלל גרביטי B למעשה דורשים שלושה רכיבים שהם לכאורה פשוטים: כוכב מנחה, טלסקופ וגירוסקופ, שהוא גוף כדורי מסתובב. הסתבר שבכל זאת ישנו קושי רב בבניית המערכת, שדרש המצאת טכנולוגיות חדשות. זקוקים למספר גירוסקופים מדויקים, שהם הרבה יותר מדויקים מאלה שמשמשים אותנו לניווט. זקוקים גם לטלסקופ, שגם הוא אמור להיות מדויק יותר מזה שעקב אחרי הכוכבים. החוקרים גם השתמשו בכוכב שישמש ככוכב מנחה, שהם מכירים את תנועתו ביחס למערכת האינרציאלית הרחוקה. הם בחרו במערכת בינארית בשם IM Pegasi. החוקרים גם נזקקו למידע מדויק אודות המסלול של רכב החלל כדי לכייל את הסיגנלים ולחשב את שני האפקטים המנובאים.
מכשיר הגרביטי B הוא ארוך וכולו הוכנס אל תוך תא ואקום, דיואר מלא בהליום סופר נוזל, שיוצר על ידי לוקהיד מרטין.
החלק המרכזי שלו הוא מבנה הקוורץ שמשולב בתוכו. בתוכו מצוי טלסקופ קאסגריין מקופל בעל קוטר עדשה של 0.14 מ' ואורך פוקאלי של 3.81 מ', שמחובר לבלוק קוורץ, שמכיל ארבעה גירוסקופים שתלויים בשורה – Gyro 1, Gyro 2, Gyro 3, Gyro 4 – בטווח של 0.1 מ"מ מלוע הטלסקופ.
כל גירוסקופ הוא בגודל של כדור פינג-פונג, בקוטר של 3.81 ס"מ, והוא כדור אידיאלי מבחינה מכנית, אבל הסתבר שלא מבחינה חשמלית, כפי שנראה בהמשך; ולכן הגירוסקופים לא התנודדו בצורה מושלמת. כל גירוסקופ היה תלוי חשמלית סביב מרכזו הגיאומטרי בתוך מתקן קוורץ כדורי.
לכדור הקוורץ של הגירוסקופ הותך ציפוי ניאוביום כמעט מושלם. כדי למדוד ברמת דיוק של מילי-ארק שניות לשנה, בטמפרטורות של הליום נוזלי, הציפוי מניאוביום נהפך לעל מוליך ולכן הוא מאפשר לזרמים חשמליים לזרום ללא התנגדות. ברגע שנוצר זרם חשמלי הוא לא דועך. הזרמים המסתובבים גורמים לשדה חשמלי שמכוון לכיוון מסוים, לכיוון של הכוכב המנחה, IM Pegasi. הניבוי לפי תורת היחסות הכללית הוא שצריכים להופיע שינויים קלים בכיוון של שדה חשמלי זה.
הגילוי נעשה על ידי מגנטומטר SQUID מאוד רגיש שמצומד לסליל על מוליך. התוצאות נפלטות בצורה גראפית: עוצמת המתח שתלויה בזווית ובכמה פרמטרים נוספים. הטלסקופ מכוון לכוכב המנחה IM Pegasi, והתוצאות נפלטות כפלט של הגירוסקופים וסיגנל כיול: תוצאות בנוגע לכוכב המנחה (השינויים במיקום הכוכב המנחה ביחס לתנועת כדור הארץ יחסית לשמש וביחס לתנועת רכב החלל גרביטי B סביב כדור הארץ). כמעט במשך מחצית מהמסלול של גרביטי B סביב כדור הארץ, הכוכב המנחה נסתר מהטלסקופ על ידי כדור הארץ.
שני גירוסקופים מסתובבים עם כיוון השעון ואילו השנים האחרים מסתובבים נגד כיוון השעון עם ציריהם בתחילה מיושרים לכוכב המנחה. כל גירוסקופ מודד את שני האפקטים היחסותיים. רכב החלל מתנודד באיטיות (מחזור של 77.5 שניות) סביב הקו לכוכב המנחה.
כדי לסובב גירוסקופ צריך ליישם מומנט כוח. כיצד ניתן לעשות זאת במתקן שמקורר על ידי הליום נוזלי? המתקן הקטן שבו היה נתון הגירוסקופ הכדורי מורכב משני חצאים. לכן עבור ה- GP-Bהטכניקה היחידה הייתה לגרום לגז הליום לנוע במהירות סונית ובצורה משתנה לצד הימני של המתקן של הגירוסקופ. ואז מכבים את הגז המסובב ונוצר מומנט הכוח.
ביצוע הניסויים
קליפורד וויל מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס עמד בראש הפאנל של ועדת המחקר הלאומית של נאסא שהחליטה לבדוק את התוצאות של תורת היחסות הכללית באמצעות רכב חלל גרביטי B.
הגרביטי B שוגר מבסיס חיל האוויר ונדנברג בקליפורניה ב-20 לאפריל, 2004. הגירוסקופים נכנסו לסיבוב וליישור סופי ב-29 לאוגוסט 2004. הדיואר נותר קר במסלול למשך 17 חודשים ותשעה ימים. סיבוב הגירוסקופים הושלם ב-14 ליולי 2004. איסוף הנתונים החל ב-28 לאוגוסט 2004. ואז החל שלב כיול מדעי מ-14 לאוגוסט 2005 ועד להרקת הדיואר ב-29 לספטמבר 2005. אולם, קריאת הנתונים הסתבכה ולקחה יותר מחמש שנים בגלל שהחלו להופיע ההפרעות.
ההפרעות בין 2005 ל-2011
הטלסקופ והדיואר תפקדו היטב, הגרביטי B שוגר על ידי רכב השיגור קרוב עד כמה שניתן למסלול אידיאלי. הגירוסקופים היו כמעט עשר בחזקת שש טובים יותר מאשר הגירוסקופים הטובים ביותר שמשמשים לניווט! הרעש מהמגנטומטר SQUID בקריאות הגירוסקופים היה למעשה פחות ממה שציפו לפני השיגור. ומדדים נוספים בניסוי היו מעבר למצופה. אז מה בעצם קרה בניסוי שעיכב אותו במשך למעלה מחמש שנים? שני סיבוכים שמקורם עוד באוילר ולאגרנג' במאה ה-18:
1) שינוי במחזור ה-polhode של הגירוסקופ: מושג מוזר שמקורו במאה ה-18, כאשר המתמטיקאי השוויצרי לאונרד אוילר גזר קבוצת משוואות שתארו את הדינמיקה של גופים קשיחים בתנועה ללא מומנט כוח. בייחוד אוילר ובני זמנו ג'אן דלמבר, לואי לגרנג' ואחרים, שמו לב לשינויים קלים בקו הרוחב עקב התנודדות כדור הארץ סביב ציר סיבובו הקוטבי. חלק מהתנודדות זו – שמאוחר יותר נקראה תנועת ה polhode – של כדור הארץ – התגלתה כנגרמת עקב ההתנהגות הטבעית של כדור הארץ המסתובב, שהיא חופשית ממומנט כוח. אולם מדענים דגולים אלה חשבו לתומם שכדור הארץ היה לגמרי גוף קשיח ולכן הם חישבו את מחזור התנודדות ה- polhode שלו כבערך 9-10 חודשים. במהלך המאה ה-19, לואי פאונסו, גיאומטריקן צרפתי, בן זמנו של לאון פוקו (שהמציא את הגירוסקופ) פיתח פירוש גיאומטרי לפיסיקה של גופים מסתובבים. פאונסו המציא את הביטוי polhode וגם herpolhode כדי לתאר את ההתנודדות הזו בתנועה של גופים קשיחים מסתובבים. פאונסו המציא את המונחים האלה מהמלים היווניות POLEזה קוטב ו- ODEזה מסלול. ולכן פירוש המלה הוא מסלול הקוטב. המשך ההסבר ואנימציה באתרים של סטנפורד ונאסא כאן:
תנועת הפולהוד הייתה צפויה מראש, אבל לא כן השינוי של מחזור הפולהוד. השינוי נגרם על ידי שטף לכוד (Trapped flux): תכונה של ציפוי הניאוביום העל-מוליך של הגירוסקופ. השטף נוצר על ידי קוונטות של שטף מגנטי הקרויות פלקסונים.
שינוי במסלול הפולהוד של הגירוסקופים גרם לקשיים במדידת האפקט היחסותי. הוא גם השפיע על הכיול של הנתונים של הגירוסקופ כנגד האברציה של הכוכבים. המדידה המגנטית באמצעות המגנטומטר המאוד רגיש של ציר סיבוב הגירוסקופ ומדידת הטלסקופ של מיקום הטלסקופ ביחס לכוכב המנחה אלה הן שתי מערכות נפרדות. לכן יש לכייל את המכשירים כדי להבטיח ששתי המערכות ימדדו את אותם הכיוונים. שינוי מסלול הפולהוד היקשה על פעולה זו. גם השטף המגנטי שהיה לכוד במנוע הגירוסקופים כאשר הם מקוררים לטמפרטורות על מוליכות הווה גורם נוסף שהקשה על פעולה זו.
2) שני אפקטים ניוטונים נוספים גרמו להפרעה ביישור של הגירוסקופים זה עם זה על ציר הסיבוב: נתגלו מומנטים של כוח ניוטונים גדולים מהצפוי בגירוסקופים בגלל זיהום על משטח המתכת של המנוע של הגירוסקופים. נוצר מומנט דיפול כולל שהיה באינטראקציה עם המתחים כאשר הגירוסקופ היה תלוי בתוך המתקן. כתוצאה נוצר מומנט כוח. בנוסף במהלך בחינת הנתונים החוקרים מצאו אפקט תהודה: הופיעו שינויים משמעותיים בכיוון של ציר הסיבוב של הגירוסקופ גם כתוצאה מזיהומים על משטח המתקן. השינויים הופיעו כאשר תדירות הפולהוד של הגירוסקופ הייתה כמעט שווה לתדירות הסיבוב של הלוויין סביב הציר לכוכב.
קריאת הנתונים
ישנם שני מקורות לפלט של נתונים: הטלסקופ והמגנטומטר. בנוסף יש חישובים שמבוצעים מבעוד מועד של האברציה ונתונים על הלוויין והגירוסקופים, נתוני הרעש וההפרעות. נבנה מודל ובונים תוכנה בהתאם לכל הנתונים המורכבים. לוקחים בחשבון את המודלים המתמטיים והפתרונות לגורמים שלמעלה, מחשבים הכל עבור קומבינציה של ארבעת הגירוסקופים ולוקחים בחשבון את גורמי הכיול. התוצאות שהתקבלו מאנליזה זו הן קונסיסטנטיות של ארבעת הגירוסקופים זה עם זה עם הערכים של תורת היחסות הכללית.
אתמול הפיסיקאי מאוניברסיטת סטנפורד פרנסיס אבריט, החוקר המוביל של משימת גרביטי B סיפר, שהחוקרים מדדו מהגירוסקופים זרם חשמלי שמכוון לכוכב המנחה (פרצסיה גיאודטית) של 6,600 פלוס מינוס 0.17 מילי ארק שניות ואפקט גרירת מרחב של 0.39 פלוס מינוס 0.7 מילי ארק שניות. התאמה מדויקת להפליא לניבויים התיאורטיים.
השלכות לחורים שחורים
לתוצאות משימת גרביטי B יש השלכות לגבי כוכבי ניטרונים, חורים שחורים וגרעיני גלקסיות אקטיביים. קליפורד וויל אומר שאם מנסים לסובב גירוסקופ בסביבה של מרחב-זמן מאוד מעוות, כמו למשל סביב חור שחור, הוא לא יבצע פרצסיה עדינה, אלא יתנודד בפראות וכנראה גם יתהפך. עתה נעבור למערכת בינארית של חורים שחורים, שבה חור שחור אחד מסתובב סביב האחר. כלומר, שהחור השחור במערכת הזאת מתנהג כמו גירוסקופ. תדמיינו מערכת של חורים שחורים מסתובבים, מתנודדים ומועפים. זה מה שתורת היחסות הכללית מנבאת ורכב החלל גרביטי B אימת שיכול לקרות.