Миссия MICROSCOPE представляет наиболее точную проверку принципа слабой эквивалентности общей теории относительности
В новых исследованиях, опубликованных в журнале Physical Review Letters и в специальном выпуске журнала Classical and Quantum Gravity от 14 сентября, группа исследователей представила наиболее точную проверку принципа слабой эквивалентности, ключевого компонента общей теории относительности. В отчете описываются окончательные результаты миссии MICROSCOPE, которая проверила принцип путем измерения ускорений свободно падающих объектов на спутнике, вращающемся вокруг Земли. Группа обнаружила, что ускорения пар объектов различаются не более чем на одну часть на 1015 исключая любые нарушения принципа слабой эквивалентности или отклонения от текущего понимания общей теории относительности на этом уровне.
Опубликованные в Physical Review Letters и специальном выпуске Classical Quantum Gravity 14 сентября окончательные результаты миссии MICROSCOPE измеряли ускорения свободно падающих объектов на спутнике, вращающемся вокруг Земли. Команда обнаружила, что ускорения пар объектов различаются не более чем на одну часть в 1015, что исключает любые нарушения принципа слабой эквивалентности или отклонения от текущего понимания общей теории относительности на этом уровне. Кредит: (с) ОНЕРА
«У нас есть новые и гораздо лучшие ограничения для любой будущей теории, потому что эти теории не должны нарушать принцип эквивалентности на этом уровне», — говорит Жиль Метрис, ученый из обсерватории Лазурный Берег и член команды MICROSCOPE.
Общая теория относительности, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915 году, описывает, как работает гравитация и как она связана со временем и пространством. Но поскольку она не учитывает наблюдения за квантовыми явлениями, исследователи ищут отклонения от теории с возрастающим уровнем точности и в различных ситуациях. Такие нарушения предполагают новые взаимодействия или силы, которые могут объединить теорию относительности с квантовой физикой. Проверка слабого принципа эквивалентности (WEP) — это один из способов поиска потенциальных расширений общей теории относительности.
Кредит: (с) ОНЕРА
Согласно WEP, объекты в гравитационном поле падают одинаково, когда на них не действуют никакие другие силы, даже если они имеют разные массы или составы. Чтобы проверить принцип, команда MICROSCOPE разработала свой эксперимент для измерения коэффициента Этвеша, который связывает ускорения двух свободно падающих объектов, с чрезвычайно высокой точностью. Если ускорение одного объекта отличается от ускорения другого более чем на одну часть в 10 15 , эксперимент измерит его и обнаружит это нарушение WEP.
Чтобы измерить коэффициент Этвёша, исследователи отслеживали ускорение тестовых масс из сплава платины и титана, когда они вращались вокруг Земли на спутнике MICROSCOPE. Экспериментальный прибор использовал электростатические
силы, чтобы удерживать пары тестовых масс в одном и том же положении относительно друг друга, и искал потенциальные различия в этих силах, которые указывали бы на различия в ускорениях объектов.
Основная задача эксперимента заключалась в том, чтобы найти способы протестировать прибор на Земле, чтобы убедиться, что он будет работать так, как задумано в космосе. «Сложность в том, что запускаемый нами инструмент не может работать на земле», — говорит Мануэль Родригес, ученый французской аэрокосмической лаборатории ONERA и член команды MICROSCOPE. «Так что это своего рода слепой тест».
Миссия MICROSCOPE проверила принцип слабой эквивалентности, измерив ускорения свободно падающих объектов на спутнике, вращающемся вокруг Земли. Исследователи обнаружили, что ускорения пар объектов различаются не более чем на одну часть на 1015, что исключает любые нарушения принципа слабой эквивалентности или отклонения от текущего понимания общей теории относительности на этом уровне. Окончательные результаты будут опубликованы в Physical Review Letters и в специальном выпуске Classical and Quantum Gravity 14 сентября. Фото: (c) CNES 2015
Когда инструмент был готов, команда запустила его в 2016 году. Они опубликовали предварительные результаты в 2017 году, но продолжали анализировать данные с учетом сбоев и систематических неопределенностей после завершения миссии в 2018 году. В конечном итоге они не обнаружили нарушения WEP, установив самые строгие ограничения на этот принцип.
Работа группы прокладывает путь к еще более точным испытаниям WEP с помощью спутниковых экспериментов. Их анализ включает в себя способы улучшения экспериментальной установки, такие как уменьшение трещин на покрытии спутников, влияющих на измерения ускорения, и замена проводов в установке бесконтактными устройствами. Исследователи говорят, что спутниковый эксперимент, который реализует эти обновления, должен быть в состоянии измерить потенциальные нарушения WEP на уровне одной части на 1017. Но результаты МИКРОСКОПА, скорее всего, какое-то время останутся наиболее точным ограничением WEP.
«По крайней мере, одно десятилетие или, может быть, два, мы не видим никаких улучшений в экспериментах с космическими спутниками», — говорит Родригес.
