Einstein oppe til sin tøffeste prøve

Mandag 19. april skytes romsonden Gravity Probe B opp fra Stillehavskysten i Sør-California, etter førti års forberedelser. Dette er trolig den mest sofistikerte romsonde som noensinne er laget. Oppdrag: Å sette Einsteins teorier på sin tøffeste prøve.

Publisert

Kulen som Francis Everitt holder mellom fingrene, er den mest perfekte kuleform i Universet - nest etter nøytronstjerner. Blåste du den opp til Jordas størrelse, ville den største ujevnheten være én meter.

Fire slike kvartskuler vil spinne vektløst i Gravity Probe B - de mest presise gyroskoper som noensinne er laget. Gyroskoper brukes til navigasjon i fly og båter. De beste sånne gyroskoper har et avvik på én grad i året.

Gyroskopene på Gravity Probe B har en presisjon himmelhøyt over dette. Hadde du satt dem i rotasjon den gang Tyrannosaurus Rex tordnet rundt på jorda, ville de fortsatt holdt seg under én grad i avvik de neste 40 millioner årene!

Gyroskopkule og hylster, Gravity Probe B
En kvartskule og de to halvdelene av hylsteret som omgir den.

Francis Everitt har arbeidet med Gravity Probe B ved Stanford-universitetet helt siden John Glenn var første amerikaner i bane rundt Jorda - i 1962. Flere nye teknologier er utviklet for å oppnå den overjordiske presisjonen som er særmerket til Gravity Probe B. Og hensikten med det hele er å sette Einsteins generelle relativitetsteori på prøve.

Einstein oppe til prøve

Den mest omdiskuterte delen av Einsteins teorier er den som omhandler tyngdekraften - gravitasjonen. I følge Einstein er ikke gravitasjon en kraft overhodet. Den er en fordreining av rommet! Vi er vant til å tenke at Jorda går i sirkelbane rundt Sola fordi tyngdekraften fra Sola drar på jorda. Men i følge Einsteins generelle relativitets-teori går Jorda går rett fram - i et rom som er krummet av tyngdefeltet rundt Sola.

Det svakere tyngdefeltet rundt Jorda burde også lage en sånn krumning. Denne krumningen skal Gravity Probe B måle. Er den som ventet, står Einsteins teorier fortsatt rimelig trygt. I motsatt fall må fysikerne tegne verdensbildet på nytt.

En himmelsk snurrebass

"Jordas tyngdefelt krummer rommet."
"Jordas tyngdefelt krummer rommet."

For å måle krumningen, bruker romsonden gyroskoper. Gyroskoper er egentlig en slags avanserte snurrebasser. Så lenge en snurrebass roterer, holder den stillingen. Men hvorfor? Fordi den blir holdt på plass all annen materie i resten av Universet!

Dette er den forbløffende teorien som Ernst Mach formulerte på slutten av 1800-tallet, og som Einstein prøvde å videreføre i sine teorier. Nettopp fordi gyroskopet holder stillingen, er det en perfekt referanse - et fast holdepunkt for navigasjon i et fly eller i verdensrommet. Men hvis dette verdensrommet krummer seg - da vil gyroskopet vri seg. Og i Jordas tyngdefelt er denne vridningen ørliten.

Den minste og viktigste effekten kalles frame-dragging. Jordas tyngdefelt drar rommet med seg rundt, omtrent som vann i hvirvelstrøm rundt en roterende ball. For å måle denne effekten må gyroskopet på Gravity Probe B kunne registrere en dreining av gyroskopaksen på 0,042 buesekunder. Det tilsvarer størrelsen av Francis Everitt i sitt kontor på Stanford-universitetet i California - sett fra Oslo!

Iskald presisjon

For å måle så små vinkler, måtte Everitt og teamet hans utvikle helt nye teknologier som stenger alle feilkilder ute fra gyroskopene, slik at bare Einstein-effektene er tilbake. Det innebar å lage gyroskopene som perfekte kvartskuler, svevende i et elektrostatisk felt uten mekanisk kontakt med omgivelsene. Kulene snurrer inne i et hylster der veggene har en klaring på bare 0,03 millimeter.

Vinkelen på rotasjonaksen måles ved hjelp av et tynt lag superledende niobium utenpå kula. De frittflytende elektronene i super-lederen lager et ørlite ytre magnetfelt rettet langs rotasjonsaksen. Dette magnetfeltet kan måles, men for å oppnå superledning og lav nok støy på måle-elektronikken, må kvartskulene kjøles ned til 1,9 grader over det absolutte nullpunkt.

"Dewar-flasken."
"Dewar-flasken."

En gigantisk Dewar-flaske eller termos med 3 000 liter flytende helium sørger for nedkjølingen. Termosen har en liten åpning med en porøs plugg der litt av heliumet kan fordampe til verdensrommet. På den måten holder termosen seg avkjølt, omtrent som når vi avkjøles når svette fordamper.

Heliumgassen utnyttes til å drive små rakettmotorer som hele tiden holder romskipet i riktig stilling. For å vite hva som er “riktig stilling”, blir én av de fire kvartskulene hele tiden overvåket. Den er i perfekt fritt fall, mens resten av romskipet blir bremset av den tynne atmosfæren i 650 kilometers høyde og av strålingstrykket og partikkelvinden fra Sola.

Det betyr at det tre tonn tunge romskipet styres for å holde følge med den lille kvartskula på størrelse med en ping-pong-ball! Denne teknologien kalles “drag-free satellites”; motstandfrie satellitter. Hvis dette systemet svikter, vil ballen etter få sekunder dunke borti veggene som bare er 0,03 millimeter unna.

Vinglete fiks-stjerner

"Presisjonsarbeid i rene omgivelser."
"Presisjonsarbeid i rene omgivelser."

For å måle stillingen til romskipet helt nøyaktig, har Gravity Probe B et teleskop om bord. Dette følger stjerna IM Pegasi i stjernebildet Pegasus. Teleskopet er også laget av kvarts, med en presisjon 1 000 ganger større enn de beste andre følgeteleskoper. Det er med vilje bygget litt ute av fokus. Først når det blir kjølt ned, tegner det stjernelyset skarpt!

Teleskopet er festet til kvartsblokken med gyroskopene ved hjelp av en teknikk som kalles “optical bonding”. Det vil si at to helt jevne flater av kvarts møtes så presist at atomene inngår bindinger med hverandre, og de forenes til ett kvarts-stykke. Skjøte-flaten blir rett og slett borte! For å få til dette, må man bruke et klasse ti ren-rom, men selv ikke de aller mest støvfrie omgivelser er nok. Øyeblikket før sammensmelting må de to flatene inspiseres optisk for urenheter.

Med et så presist teleskop burde presisjonen være høy nok. Feil! På dette presisjonsnivået står nemlig ikke stjernene stille. IM Pegasi beveger seg sammen med rotasjonen av vår galakse, og den pendler litt fram og tilbake fordi Jorda beveger seg rundt Sola.

Disse bevegelsene må kompenseres, og det gjøres ved hjelp av store radioteleskoper. IM Pegasi er nemlig også en sterk radiokilde, og i nærheten av IM Pegasi ligger kvasarer - de fjerneste radiokilder som er observert.

Ved å måle IM Pegasis bevegelse i forhold til kvasarene, kan bevegelsene kartlegges. Dette gjøres ved å samordne signalene fra flere store radioteleskoper. Ved å bruke en teknikk som kalles baselinje-interferometri får man en oppløsning som om man hadde et radioteleskop på størrelse med jordkloden!

Nesten-havarier

"Francis Everitt foran utskytningrampen."
"Francis Everitt foran utskytningrampen."

Prosjekt Gravity Probe B har flere ganger vært nær ved å havarere. Ikke i verdensrommet, men i NASAs årlige budsjettplaner. Opprinnelig skulle sonden sendes opp med romferga. Det var den gangen NASA hadde planer om å bygge et oppskytningskompleks for romferga i California, slik at den kunne skytes ut over havet i en bane som gikk fra pol til pol.

Etter Challenger-ulykken i 1986 ble planene om en West Coast Launch Facility skrinlagt. Ennå i dag har Gravity Probe B en utforming som passer perfekt til lasterommet i romferga, men det ble bestemt å sende den opp med en Delta-2 rakett i stedet. Delta-2 er det mest pålitelige trekkdyret i NASA-stallen med over 90 prosent vellykkede oppskytninger.

Hver gang Gravity Probe B var oppe til vurdering, klarte prosjektet å sjarmere seg forbi det granskende blikket til de bevilgende myndigheter. En viktig sjarmør er nok veteran og sjefsforsker Francis Everitt. Med sitt lange hvite hår er han ikke ulik den berømte forskeren hvis teorier skal utprøves.

Everitt har brukt like mye tid i maktens korridorer i Washington som i korridorene på Stanford-universitetet i California, der Gravity Probe B har vært utviklet.

Mission control on campus

"Oppskytning fra Vandenberg Air Force Base, California. (Animasjon)"
"Oppskytning fra Vandenberg Air Force Base, California. (Animasjon)"

Gravity Probe B er spesiell også fordi prosjektet har vært styrt fra et universitet, ikke fra NASA. Kontrollrommet der sonden skal overvåkes ligger tvers over gangen for det rotete kontoret til Francis Everitt.

Mye av teknologien har vært utviklet av firmaet Locheed, og medarbeidere i Gravity Probe B kan fortelle om kulturkollisjoner der universitetets åpne og kritiske folk har måttet banke hardt på romindustriens lukkede rom og vinne respekt i “vi-vet-best”-miljøene.

Teamet bak Gravity Probe B er en fargerik blanding av militære og akademia. Hvor ellers finner du forhenværende Air Force-majorer i dyp diskusjon med hvithårede professorer?

- Dette er det mest sofistiserte romskipet som er laget, sier Gaylord Green.

Han har ansvaret for oppskytningen fra Vandenberg Air Force Base. Utskytningsvinduet er på bare ett sekund hvert døgn. Romsonden må inn i riktig banevinkel i forhold til ledestjerna IM Pegasi. Hvert døgn forskyves dette ene sekundet fire minutter bakover i tid, på grunn av Jordas bane rundt Sola. Første planlagte oppskytningsdato er 19. april, klokka 19.01 norsk sommertid.

40 dager og 13 måneder

"Romsonden på vei inn i riktig bane."
"Romsonden på vei inn i riktig bane."

De tre første minuttene av oppskytningen er de mest kritiske. Raketten og romsonden vil skille lag 650 kilometer over Norge. Begivenheten er ikke synlig fra bakken uten sterke teleskoper fordi det ennå er dagslys, og fordi banen er så høy.

Så følger 40 dager og 40 netter med intens klargjøring og utprøving av systemene. Gyroskopene skal spinnes opp til 10 000 runder i minuttet, og rotasjonsaksen skal låses til retningen mot følgestjerna IM Pegasi.

Selve observasjonene varer i 13 måneder. Da vil Jorda ha fullført ett kretsløp rundt sola med én måneds overlapping, og denne måneden brukes til å kontrollere at resultatene er like på de to rundene for å identifisere feilkilder.

Meteor-sikker

"Kvartsblokken med gyroskopene."
"Kvartsblokken med gyroskopene."

I løpet av disse 13 månedene kan en meteor treffe romsonden. De følsomme gyroskopene vil i verste fall få seg en skikkelig dult, men så sant ikke romskipet går i stykker av sammenstøtet, vil observasjonene fortsette.

Dultet vil få elektrodene til å sende ut kraftige korreksjons-strømmer, i et øyeblikk vil gyroskopene låses og målingene får et avbrudd. Men dette avbruddet blir bare som en kort krusning på den lange tidslinja der vinkelforskyvingen tegnes opp, og dermed uten betydning.

I mai 2005 er observasjonstida omme. Da skal forskerne bevisst introdusere store, kontrollerbare feilkilder i instrumentene for å undersøke at avvikene blir som forventet. Så følger analyse av resultatene, og Einstein vil ha bestått prøven - eller kanskje ikke?

Hva tror Francis Everitt selv om resultatet?

- Som eksperimentell fysiker er jeg mer opptatt av eksperimentet enn av resultatet, sier han diplomatisk.

Ikke først, men best

Gravity Probe B er det andre eksperimentet som setter Einsteins generelle relativitetsteori på prøve under kontrollerte forhold. I 1976 sendte NASA og Agenzia Spaziale Italiana opp romsonden LAGEOS 1, og i 1992 fulgte LAGEOS 2.

Romsondene skulle blant annet kartlegge Jorda, men fordi de gikk i baner fra pol til pol som kunne overvåkes svært nøyaktig, ble det mulig å måle hvordan banene forskjøv seg med noen meter på grunn av rommets krumning i jordas tyngdefelt.

Disse målingene påviste frame-dragging-effekten med en nøyaktighet på 25 prosent. Noen forskere mener likevel at nøyaktigheten var langt dårligere, slik at det kan diskuteres om effekten overhodet ble målt. I kontrast vil Gravity Probe B måle den ørlille frame-dragging-effekten med en nøyaktighet på én prosent!

- Vi kan observere sorte hull og andre kosmiske fenomener som viser større effekter av relativitetsteorien, sier Everitt, men Gravity Probe B er et menneskeskapt eksperiment i jordas kjente tyngdefelt.

Bare på denne måten kan vi bestemme nøyaktig hvor mye rommet fordreies av tyngdefeltet, og dermed sette Einsteins teorier virkelig på prøve.

Les mer…

Gravity Probe Bs nettsted