A NASA leghosszabb űrprogramja lezárva
(Rovat: Szárnyaló képzelet - 2011.05.05 12:15.)

Az einsteini relativitáselmélet két jóslatát nagy pontossággal kimérő Gravity Probe B műholdat az 1950-es évek vége óta tervezgették, előkészítését 1963 óta finanszírozták is a NASA-nál. A 2004-ben indított űreszköz végleges eredményeit most, a napokban publikálták.

(Kép: NASA / Stanford University)

Az amerikai űrhivatal Gravity Probe B (GP-B) nevű műholdja igazolta az általános relativitáselmélet két jóslatát, vagyis teljesítette azt, amire tervezték és megépítették. Ez az állítás megnyugtatóan és egyszerűen hangzik, de az eredmény mögött hosszú ideig tartó erőfeszítések és csúcstechnológia húzódik meg.

A 2004 áprilisában 624 km magas poláris körpályára állított GP-B négy ultraprecíz giroszkópot vitt magával a fedélzetén. Ezek a rendkívüli pontossággal megmunkált, pingponglabda méretű, tengelyük körül gyorsan forgó. nióbiummal bevont kvarcgömbök voltak azok a próbatestek, amelyekre az egész mérést alapozták. A kérdés az volt, hogy eltérül-e, és ha igen, mennyivel a gömböcskék forgástengelye. Ha a Föld tömege nem volna hatással a körülötte levő téridőre, akkor a tengelyek állása örökké változatlan maradna: a pörgettyűket nem volna mi eltérítse, hiszen a tökéletes gömb alak miatt nem hat rájuk forgatónyomaték. (A folyamatosan megfigyelt külső referenciát az IM Pegasi jelű csillag szolgáltatta, a műhold mozgását befolyásoló nem-gravitációs perturbációkat pedig igyekeztek a lehető legpontosabban ellensúlyozni, kiküszöbölni.)

A két megmért hatás közül az egyik – a nagyobbik – az ún. geodetikus precesszió. Ennek várható elméleti értéke -6,606 ívmásodperc évente: ennyivel kell elforduljon a gömbök forgástengelye. (A GP-B mérési eredménye a hibahatáron belül azonos: -6,6018 ± 0,0183 ívmásodperc/év.) A jelenség a newtoni fizika keretei közt nem értelmezhető, ellentmond a globális inerciarendszer létezésének. A másik hatás a téridő „vonszolódása” (angolul frame-dragging), ami még az előbbinél is sokkal kisebb, elméletileg mindössze -39 ezredívmásodperc (mas) évente. (A GP-B mérési eredménye: -37,2 ± 7,2 mas/év.) Ez azért lép fel, mert egy nagy tömegű test (jelen esetben a Föld) forog, s a relativitáselmélet értelmében gravitációs hatása függ a perdületétől. A GP-B vezető kutatója, Francis Everitt ezt úgy igyekezett szemléltetni, hogy egy mézben levő golyóhoz hasonlította a Földet. Ha a golyót forgatni kezdjük, magával ragadja a környező mézet is – ahogy bolygónk teszi a körülötte levő térrel, amiben a forgó próbatest tengelyiránya követi ezt a változást.

Az Einstein elmélete által megjósolt geodetikus precesszió és a téridő „vonszolódása”. A műholdpályát úgy tervezték, hogy a két hatás iránya merőleges és így jól elválasztható legyen. (Kép: Stanford University)

S hogy miért tartott bő négy évtizeden át a program? A technológiai kihívások, a kellően pontos méréseket lehetővé tevő ideális mérési környezet megteremtésének nehézségei miatt. A Gravity Probe B programjának hozadéka persze nem csak a most a Physical Review Letters folyóiratban megjelenő tudományos cikk és az alapvető, a relativitáselmélet két elméleti jóslatát eddig sosem látott pontossággal megerősítő fizikai eredmény.

A GP-B a NASA talán legrégebb óta futó programja, a kezdeti finanszírozása 1963 őszén indult. Azok a technológiák, amelyeket fel kellett használni hozzá – a légköri fékeződés kompenzálása, a mágneses és hőmérsékleti hatások precíz korrigálása, az ultrapontos giroszkópok, a csillagérzékelő –, időközben más űreszközökben is alkalmazásra találtak. Sőt nem csak űreszközökben, de földiekben is, például a repülőgépek navigációját és leszállását segítő berendezésekben. Az Gravity Probe B műhold működését 2010 decemberében állították le végleg. Az analízishez használt adatok gyűjtése 2004 augusztusa és 2005 augusztusa között történt; az előzetes eredményekről korábban már összefoglaló jelentés készült.

A nem-gravitációs perturbációk gondos kiküszöbölésének módszere tette (és teszi) lehetővé a föld gravitációs erőterének felmérését is az űrből, például az amerikai GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) vagy az európai GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) műholdas programokkal. A kutatók képzésében betöltött jelentős szereppel kapcsolatban a NASA közleménye büszkén említi, hogy az eltelt hosszú évek alatt a GP-B projekten az Egyesült Államokban csak doktorandusz hallgatóból mintegy százan dolgoztak. A programmal kapcsolatba került számos fiatal egyetemi hallgató közül került ki később Sally Ride, az első amerikai űrhajósnő. Egy másikuk, Eric Cornell a fizikai Nobel-díjig vitte 2001-ben.