Je leest:

Gravity Probe B opgestart

Gravity Probe B opgestart

Auteur: | 7 september 2004

Het duurde vijf maanden, maar nu is Gravity Probe B klaar voor actie. De satelliet gaat het komende jaar testen hoe meeslepend onze aarde wel niet is: Einsteins’s Algemene Relativiteitstheorie aan de tand gevoeld.

Artistieke weergave van Gravity Probe B in een baan rond de Aarde.
NASA/MSFC, via CC0

In vrije val voel je geen zwaartekracht – volgens Newton dan, want Einstein voorspelt iets anders. Vrije val is precies de situatie waarin natuurkundigen Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie gaan testen. Gravity Probe B, in april 2004 gelanceerd, is eindelijk klaar voor de meting van een jaar. In zijn omloopbaan staat de satelliet bloot aan een subtiel effect van de relativiteitstheorie: een zwaartekrachtkolk.

De afgelopen maanden heeft Gravity Probe B zich in zijn omloopbaan genesteld. Hoog boven de aarde balanceert de satelliet perfect tussen middelpuntvliedende kracht en zwaartekracht. Eigenlijk zou je verwachten dat hij gewichtsloos is, maar natuurkundigen hopen een minieme afwijking te vinden. Daarvoor moet Gravity Probe B wel roerloos in positie blijven.

Door te mikken op een ‘leid-ster’, namelijk IM Pegasi, zorgt de satelliet voor een stabiel meetplatform. Omdat de satelliet telkens achter de aarde langs reist, verliest hij telkens zicht op de ster. Elke omloop weer moet het contact hersteld worden. Dat leverde onverwachte problemen op.

“Het was een enorme klus”, zegt hoofdonderzoeker prof. Francis Everitt van Standford University. “Maar nu kunnen we eindelijk binnen een minuut IM Pegasi in het vizier krijgen.” Op 27 augustus is de satelliet begonnen met data verzamelen.

Gravity Probe B moet op IM Pegasi gericht blijven. Als dat een jaar lang lukt, weten de onderzoekers zeker dat de gyroscopen aan boord niet zijn verstoord, behalve dan door de zwaartekrachtafwijking die Einstein’s theorie voorspelt. bron: NASA

Eigenlijk hoopten de onderzoekers dat Gravity Probe B al na een paar weken klaar zou zijn voor de metingen. Maar telkens kwamen nieuwe problemen om de hoek kijken. Eerst was er een zwerm stofdeeltjes die het zoekmechanisme in de war brachten. Dat gebruikt bepaalde sterrenbeelden om zich te oriënteren, maar kon die door de glimmende stofdeeltjes niet vinden.

“Gelukkig is er geen stof in de behuizing gekomen”, verzucht Everitt. De geslepen kwartsbollen die het hart van Gravity Probe B vormen moeten absoluut wrijvingsloos rond kunnen tollen. “We hebben de satelliet tijdens de lancering verschrikkelijk laten trillen. Als er door een kiertje wat stof naar binnen was gekropen…” Gelukkig bleef al het mogelijke stof aan de buitenkant van de satelliet, maar daar verstoorde het wél het zoekmechanisme.

Het ruimtestof dreef uiteindelijk weg, maar tegen die tijd was een nieuw probleem gerezen: kosmische straling. Kosmische straling bestaat onder andere uit snelle protonen. Die veroorzaken lichtflitsjes in de lichtsensor van Gravity Probe B. De technici aan de grond moesten een deel van de software herschrijven om voor die extra flitsjes te compenseren. Nu, vijf maanden na de lancering, kan het echte onderzoek beginnen. Wat gaat Gravity Probe B precies meten?

Kracht op afstand

Voor ons aardbewoners is zwaartekracht de gewoonste zaak van de wereld, maar eigenlijk is het een heel mysterieus gebeuren. Twee massa’s trekken elkaar over een afstand aan, maar hoe wordt die kracht overgebracht? Isaac Newton publiceerde in 1687 formules waarmee je de zwaartekracht kunt beschrijven en berekenen, maar een verklaring voor de kracht op afstand kon hij niet geven.

Een technicus inspecteert het kristallen binnenwerk van Gravity Probe B op haarscheurtjes. bron: Stanford University

Een kromme wereld

Albert Einstein maakte in 1915 zijn Algemene Relativiteitstheorie (ART) bekend, die het denken over zwaartekracht, ruimte en tijd radicaal op zijn kop zette. In Einstein’s theorie vormen die laatste twee één geheel, ruimtetijd genoemd. Die vormt een vervormbaar podium waarbinnen alles in het heelal plaatsvindt. Elke massa in het heelal vervormt de ruimtetijd, zodat rechte lijnen eromheen krommen. Dat is volgens Einstein de werking van de zwaartekracht: een satelliet die in de vrije ruimte langs een rechte lijn wil bewegen, volgt de door de aarde gekromde lijnen in de ruimtetijd en beschrijft zo een cirkelbaan.

Als de aarde niet rond zijn as draaide, zou Gravity Probe B in perfecte vrije val zijn. Newton en Einstein zijn het daarover eens: als je je zonder tegenstribbelen door de zwaartekracht laat leiden, voel je geen krachten. Vandaar dat astronauten in het internationale ruimtestation ISS door de cabine zweven. De ART doet een verrassende voorspelling: astronauten, ISS en Gravity Probe B zijn niet helemáál vrij van de zwaartekracht. Einstein’s theorie voorspelt dat de aarde de ruimte om zich heen meesleept als water in een draaikolk. Die gedwongen draaiing zou een minuscule draaikracht uit moeten oefenen op massa’s in een omloopbaan.

Massa’s in de ruimtetijd worden vaak voorgesteld als zware ballen op een rubberplaat. De deuk die ze daarin maken zorgt dat langsrollende knikkers – andere massa’s – naar de bal toerollen: ‘zwaartekracht’. Maar wat als de bowlingbal op het vel rubber ook nog eens om zijn as draait? Het materiaal er onder probeert dan zo goed als mogelijk mee te bewegen. Een bowlingbal zou op een gegeven moment slippen, maar ruimtetijd om een snel draaiende massa wordt meegetrokken en uitgerekt. Rechte lijnen krommen zich als in een draaikolk. Bij deze neutronenster is dat schematisch aangegeven. bron: NASA / JPL

In plaats van een zwaartekracht direct naar het centrum van de aarde is er een nauwelijks meetbare afwijking met de draaiing van de aarde mee. Alleen in vrije val, wanneer middelpuntvliedende kracht en zwaartekracht elkaar precies in evenwicht houden, krijgt die afwijking de kans zich te laten gelden. Hoe meet de satelliet Einstein’s eigenaardige zwaartekracht kolk?

Gyroscopen

Aan boord van Gravity Probe B zijn vier loepzuiveren kwartsbollen. Die zweven vrij in hun omhulsel en tollen razendsnel rond hun as. Zulke gyroscopen stabiliseren zichzelf; zonder krachten van buitenaf blijven ze altijd in dezelfde richting staan.

Het kleine effect van Einstein’s zwaartekrachtkolk trekt bij elke omloop aan de kwartsbollen. In de loop van een jaar groeit de afwijking tot hij nét meetbaar is: naar schatting 0,42 boogseconde per jaar. Eén boogseconde is 1/3600 graad. De afwijking is, zelfs opgeteld over een jaar, zó klein dat het overeenkomt met anderhalve centimeter klimmen over een afstand van honderd kilometer!

Eén van de niobium-bedekte kwartsgyroscopen en zijn behuizing. De bol is in werkelijkheid zo groot als een pingpongballetje. De kwartsbollen zijn zó zuiver geslepen, dat ze bijna volmaakt rond zijn. Als je ze zou uitvergroten tot de schaal van de aarde, zou de grootste ‘berg’ maar drie meter hoog zijn. bron: Stanford University

Resultaat

En wat als Gravity Probe B de zwaartekrachtkolk aantoont? Het zou extra bewijs zijn voor de ART, die al vaker tot op het bot is getest. “Een afwijking zou interessanter zijn”, zei prof. Peter Hoyng ART-docent aan de Universiteit Utrecht eerder. “Eerst wordt er dan natuurlijk geroepen om een bevestiging van de meting.” Gravity Probe B was een peperduur project en een herhaling zit er eigenlijk niet in. “Misschien kan de looptijd wat worden uitgebreid”, denkt Hoyng. Als de koeling van het experiment het wat langer uithoudt dan gepland, is daar zeker kans toe.

Voor spectaculaire tests van de ART kijkt Hoyng liever naar grote interferometers, apparaten die binnen een aantal jaar rimpelingen in de ruimtetijd op moeten sporen. “LISA, nu in aanbouw, kan in principe samensmeltende zwarte gaten in melkwegkernen opsporen.” Zulke heftige massabeweging wekt golven in de ruimtetijd op, die op aarde meetbaar zijn. Naast bevestiging van de ART zou zo’n zwaartekrachtgolf ook inside-informatie over melkwegkernen geven: een nieuwe soort telescoop.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 september 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.