Ein 650-Gallonen Gravity Probe-B Dewar wird an der Stanford University getestet.Obwohl Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu einem Eckpfeiler der modernen Physik geworden ist, wurde sie selten getestet.Fast 90 Jahre, nachdem Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie – unsere aktuelle Gravitationstheorie – postuliert hatte, haben Wissenschaftler endlich die Datensammlung abgeschlossen, die diese Theorie einem experimentellen Test unterziehen wird.In den vergangenen 17 Monaten umkreiste der Satellit Gravity Probe-B (GP-B) der NASA die Erde mit vier ultrapräzisen Gyroskopen, die etwa eine Million Mal besser sind als die besten Navigationsgyroskope, um die für diesen beispiellosen Test erforderlichen Daten zu generieren.Wie geplant ist das Helium, das das Experiment gekühlt und seine Mikro-Triebwerke angetrieben hat, aufgebraucht, wodurch die Datenerfassung und die abschließende Instrumentenkalibrierungsphase des Experiments beendet sind.Alle Daten – im Wert von 50 Wochen – wurden vom Raumschiff heruntergeladen und an Computer im GP-B Mission Operations Center der Stanford University weitergeleitet, wo GP-B-Wissenschaftler mit der letzten mühsamen Aufgabe der Datenanalyse und -validierung begonnen haben.Hatte Einstein recht?Sie werden erst in 15 Monaten wissen, wann die Analyse abgeschlossen ist, aber Physiker auf der ganzen Welt warten gespannt auf die Ergebnisse."Dies war eine enorme Mission für uns alle", sagte Francis Everitt von Stanford, Hauptforscher von GP-B.„Gravity Probe B stellte auf dem Weg viele Herausforderungen dar und das Team hat sich bei jeder Gelegenheit großartig geschlagen. Mit all den jetzt gesammelten Daten gehen wir nun in den nächsten 15 Monaten sehr bewusst vor, um sicherzustellen, dass alles überprüft und erneut eingecheckt wird auf möglichst viele Arten. Die NASA und Stanford können stolz auf das bisher Erreichte sein."Dieses Jahr feiern Physiker den 100. Jahrestag von Einsteins „Wunderjahr“, in dem er an der Universität Zürich in Physik promoviert und vier wegweisende Arbeiten veröffentlicht hat, darunter die spezielle Relativitätstheorie und eine Arbeit über Licht, die ihm den Nobelpreis einbrachte Preis 1921. Aber Einsteins krönender Abschluss kam 1916 mit seiner Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie, in der er die spezielle Relativitätstheorie um das schwer fassbare Konzept der Gravitation erweiterte.Mit der Allgemeinen Relativitätstheorie hat Einstein unsere Newtonsche Sichtweise der Schwerkraft als Kraft für immer verändert, indem er vielmehr postuliert, dass Raum und Zeit untrennbar in ein vierdimensionales Gewebe namens Raumzeit verwoben sind und dass Schwerkraft einfach das Verziehen und Verdrehen des Gewebes der Raumzeit durch Masse ist Himmelskörper.Obwohl sie zu einem der Eckpfeiler der modernen Physik geworden ist, ist die Allgemeine Relativitätstheorie die am wenigsten getestete von Einsteins Theorien geblieben.Der Grund dafür ist, wie der Caltech-Physiker Kip Thorne es einmal ausdrückte: „Im Bereich der Schwarzen Löcher und des Universums wird die Sprache der Allgemeinen Relativitätstheorie gesprochen, und zwar laut. Aber in unserem winzigen Sonnensystem die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind nur Geflüster."Daher müssen alle Messungen der relativistischen Auswirkungen der Schwerkraft um die Erde mit äußerster Präzision durchgeführt werden.In den letzten 90 Jahren deuten verschiedene Tests der Theorie darauf hin, dass Einstein auf dem richtigen Weg war.Aber in den meisten früheren Tests mussten die Relativitätssignale aus einem erheblichen Hintergrundrauschen extrahiert werden.Der Zweck von GP-B besteht darin, Einsteins Theorie zu testen, indem das Experiment in einem makellosen Labor im Orbit durchgeführt wird, wodurch das Hintergrundrauschen auf ein unbedeutendes Niveau reduziert wird und die Sonde in die Lage versetzt wird, die allgemeine Relativitätstheorie auf neue Weise zu untersuchen.Täuschend einfach Am 20. April 2004 von der Vandenberg Air Force Base an der kalifornischen Küste gestartet, hat GP-B vier sphärische Gyroskope verwendet, um genau zwei außergewöhnliche Effekte zu messen, die von Einsteins Theorie vorhergesagt wurden.Einer ist der geodätische Effekt – der Betrag, um den die Erde die lokale Raumzeit, in der sie sich befindet, verzerrt.Der andere Effekt, Frame-Dragging genannt, ist der Betrag, um den die rotierende Erde die lokale Raumzeit mit sich herumzieht.Wie misst GP-B diese Effekte?Das Experiment ist konzeptionell einfach: Platzieren Sie ein Gyroskop und ein Teleskop in einem Satelliten, der die Erde umkreist.(GP-B verwendet aus Redundanzgründen vier Gyroskope.) Richten Sie zu Beginn des Experiments sowohl das Teleskop als auch die Drehachse des Gyroskops auf einen entfernten Referenzpunkt aus – einen Leitstern.Halten Sie das Teleskop ein Jahr lang auf den Leitstern ausgerichtet, während das Raumschiff die Erde mehr als 5.000 Mal umkreist.Nach Einsteins Theorie sollte die geodätische Verzerrung der lokalen Raumzeit der Erde im Laufe eines Jahres dazu führen, dass die Rotationsachse des Gyroskops um einen winzigen Winkel von 6,6 Bogensekunden (0,0018 Grad) von ihrer ursprünglichen Ausrichtung des Leitsterns wegdriftet.Ebenso sollte die Drehung der lokalen Raumzeit der Erde dazu führen, dass die Rotationsachse in einer senkrechten Richtung um einen noch kleineren Winkel von 0,041 Bogensekunden (0,000011 Grad) driftet, was etwa der Breite eines menschlichen Haares aus 10 Meilen Entfernung entspricht.Wie der verstorbene Stanford-Physiker und GP-B-Mitbegründer William Fairbank es einmal ausdrückte: „Keine Mission könnte einfacher sein als Gravity Probe B. Es ist nur ein Stern, ein Teleskop und eine sich drehende Kugel.“Die außergewöhnliche Zusammenarbeit von Stanford, der NASA, Lockheed Martin und einer Vielzahl anderer Physiker, Ingenieure und Weltraumwissenschaftler erforderte jedoch fast 44 Jahre, um die ultrapräzisen Gyroskope und die andere Spitzentechnologie zu entwickeln, die erforderlich sind, um dies täuschend „einfach“ durchzuführen „Experiment.Die tischtennisballgroßen Kreiselrotoren zum Beispiel mussten so perfekt kugelförmig und homogen sein, dass es mehr als 10 Jahre und eine ganze Reihe neuer Fertigungstechniken brauchte, um sie herzustellen.Sie sind jetzt in der Guinness-Datenbank der Rekorde als die rundesten Objekte der Welt aufgeführt.In ähnlicher Weise dauerte es zwei Jahre, um die makellosen Dachkantprismen im GP-B-Wissenschaftsteleskop herzustellen, das den Leitstern verfolgt.Einige Wissenschaftler haben darüber nachgedacht, wie gerne Einstein, selbst einst Patentangestellter, diese außergewöhnlichen Technologien überprüft hätte.Bradford Parkinson von Stanford, Co-Principal Investigator von GP-B und Gewinner des Draper Prize in Engineering 2003, sagte: „Der Optimismus war weit verbreitet [1960, als GP-B begann]. Wir hatten keine Ahnung, wie schwer das war, und ich würde behaupten, dass wir wahrscheinlich erst 30 Jahre später die Technologie zur Herstellung perfekter Kugeln, die Beschichtungstechnologie, die Auslesetechnologie, die kryogene Technologie, die [Teleskop-] Ausrichtungstechnologie [ins Leben gerufen] haben … Nichts davon war 1960 möglich."Leer laufenBeim Start enthielt das Dewar, eine riesige Thermosflasche, die den größten Teil des Körpers des Raumfahrzeugs ausmacht, ungefähr 650 Gallonen Helium, das auf einen supraflüssigen Zustand knapp über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt war.Das Helium im Dewar erfüllte zwei wichtige Funktionen: Erstens war es das Supraflüssigkeitsbad, das die vier Kreisel auf einer supraleitenden Temperatur hielt, die für das Auslesen ihrer Drehachsen erforderlich war.Zweitens wurde Heliumgas, das ständig aus dem Bad verdunstete, als Treibmittel für die Mikrotriebwerke des Raumfahrzeugs wiederverwendet, um sowohl seine korrekte Ausrichtung als auch seine Rollgeschwindigkeit im Orbit aufrechtzuerhalten und es auf den Leitstern gerichtet zu halten.Bei der Konstruktion des Dewars hat das Team sorgfältig berechnet, dass 650 Gallonen Helium ausreichen würden, um die GP-B-Mission mindestens 16 Monate lang aufrechtzuerhalten, und dass ein Dewar, der groß genug ist, um diese Menge aufzunehmen, gerade noch in die Nase der Boeing passen würde Delta II-Rakete, die das Experiment starten würde.Als das Helium im Dewar am 29. September aufgebraucht war, hatte es die ursprünglichen Berechnungen des Teams um mehr als drei Wochen überdauert.Mac Keiser, Chefwissenschaftler von GP-B, der das Datenanalyseteam in Stanford leitet, sagte: „Es war besonders wichtig, 50 Wochen lang Daten vom Satelliten zu erhalten – nicht nur, weil wir damit unsere statistischen Fehler reduzieren können, sondern auch, weil die Erde hat fast eine vollständige Umdrehung um die Sonne gemacht. Dieser vollständige Zyklus wird es uns ermöglichen, eines unserer Kalibrierungssignale voll auszunutzen und potenzielle systematische Fehlerquellen zu eliminieren."Vorletzter MeilensteinDer Abschluss der Datensammlung markiert den letzten Meilenstein vor der Bekanntgabe und Veröffentlichung der Ergebnisse dieses historischen 44-jährigen Programms.Es ist eine Zeit des Triumphs und der Emotionen für das GP-B-Team.Einige Teammitglieder arbeiten seit mehr als 15 Jahren gemeinsam an dem Programm.Da sich der Schwerpunkt der Mission vom Betrieb des Raumfahrzeugs auf die Datenanalyse verlagert, ist es für viele Ingenieure und Missionsbetriebsspezialisten des Teams an der Zeit, weiterzumachen, und dies bringt natürlich einen Hauch von Traurigkeit in den ansonsten freudigen Geist der Leistung."Es ist ein bisschen so, als würde man sein Kind aufs College schicken", sagte GP-B Program Manager Gaylord Green.„Unser Betriebsteam wurde zu einer Familie, die diese Mission erfüllte, und nach einem guten Job werden die Mitglieder in die nächste Phase ihres Lebens aufbrechen.“Tony Lyons, GP-B-Programmmanager der NASA vom Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, fügte hinzu: „Der Abschluss der GP-B-Mission ist der Höhepunkt jahrelanger harter Arbeit, Schulung und Vorbereitung durch das GP-B-Team Teammitglied sollte stolz auf diese Leistung sein."Das GP-B-Wissenschaftsteam wird mehr als ein Jahr brauchen, um die Datenanalyse abzuschließen, gefolgt von bis zu sechs Monaten für die Vorbereitung und Einreichung von Artikeln bei großen wissenschaftlichen Zeitschriften, in denen die experimentellen Ergebnisse detailliert beschrieben werden.Gemäß den NASA-Protokollen, die für andere Missionen mit präzisen quantitativen Messungen verwendet werden, wird es vor einer offiziellen Ankündigung und Veröffentlichung der Ergebnisse, die Anfang 2007 erwartet wird, keine vorläufigen Ankündigungen von Ergebnissen oder Spekulationen über die Daten geben.Bob Kahn ist der Koordinator für öffentliche Angelegenheiten für Gravity Probe B in Stanford.Eine Veröffentlichung des Stanford Office of University Communications© Stanford-Universität.Stanford, Kalifornien 94305.Urheberrechtsbeschwerden Markenhinweis