ยานสำรวจแรงโน้มถ่วง A

แผนภาพของการทดลองGravity Probe [ 1 ] : 17
ประเภทภารกิจ	ฟิสิกส์ดาราศาสตร์
ผู้ปฏิบัติงาน	นาซ่า
รหัส COSPAR	กราฟร์-เอ
ระยะเวลาของภารกิจ	1 ชั่วโมง 51 นาที
อะโพจี	10,224 กิโลเมตร (6,353 ไมล์)
คุณสมบัติของยานอวกาศ
ยานอวกาศ	จีพี-เอ
ปล่อยมวล	60 กก. (130 ปอนด์)
พลัง	22 ว
เริ่มภารกิจ
วันที่เปิดตัว	18 มิถุนายน 2519 ( 18 มิถุนายน 1976 )
จรวด	ลูกเสือ[ 2 ]
จุดปล่อยจรวด	ศูนย์การบินวอลลอปส์[ 3 ]
สิ้นสุดภารกิจ
การกำจัด	ปลดประจำการ
ปิดใช้งานแล้ว	18 มิถุนายน 2519 ( 18 มิถุนายน 1976 )

ยานสำรวจแรงโน้มถ่วงเอ ( GP-A ) เป็นการทดลองในอวกาศเพื่อทดสอบหลักการสมดุลซึ่งเป็นคุณลักษณะหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ การทดลองนี้ดำเนินการร่วมกันโดยหอดูดาวฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมิธโซเนียนและองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA ) การทดลองนี้ส่งเครื่องมาเซอร์ไฮโดรเจน ซึ่ง เป็นมาตรฐานความถี่ที่มีความแม่นยำสูง ขึ้นไปในอวกาศเพื่อวัดอัตราการผ่านของเวลาในสนามแรงโน้มถ่วง ที่อ่อนกว่าด้วยความแม่นยำสูง มวลทำให้เกิดการบิดเบี้ยวในกาลอวกาศซึ่งนำไปสู่ผลกระทบของการหดตัวของความยาวและการยืดเวลา ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่ทำนายไว้ในทฤษฎี สัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เนื่องจากความโค้งงอของกาลอวกาศ ผู้สังเกตการณ์บนโลก (ในศักย์แรงโน้มถ่วงที่ต่ำกว่า) ควรจะวัดอัตราการผ่านของเวลาที่ช้ากว่าผู้สังเกตการณ์ที่อยู่สูงขึ้นไป (ในศักย์แรงโน้มถ่วงที่สูงกว่า) ผลกระทบนี้เรียกว่าการ ยืดเวลาเนื่องจากแรงโน้มถ่วง

การทดลองนี้เป็นการทดสอบผลลัพธ์สำคัญประการหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ นั่นคือ หลักการสมดุล หลักการสมดุลระบุว่า กรอบอ้างอิงในสนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอไม่สามารถแยกแยะได้จากกรอบอ้างอิงที่อยู่ภายใต้ความเร่งสม่ำเสมอ ยิ่งไปกว่านั้น หลักการสมดุลยังทำนายว่า ปรากฏการณ์อัตราการไหลของเวลาที่แตกต่างกัน ซึ่งปรากฏในกรอบอ้างอิงที่เร่งความเร็วสม่ำเสมอ จะปรากฏในกรอบอ้างอิงที่อยู่นิ่งซึ่งอยู่ในสนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอด้วย

ยานสำรวจถูกปล่อยเมื่อวันที่ 18 มิถุนายน พ.ศ. 2519 จากศูนย์การบิน NASA-Wallops ในเกาะ Wallops รัฐเวอร์จิเนีย ยานสำรวจถูกบรรทุกโดยจรวด Scoutและขึ้นไปถึงระดับความสูง 10,000 กิโลเมตร (6,200 ไมล์) และอยู่ในอวกาศเป็นเวลา 1 ชั่วโมง 55 นาที ตามที่ตั้งใจไว้ จากนั้นจึงกลับสู่โลกโดยตกลงสู่มหาสมุทรแอตแลนติก^{[ 4 ]}

วัตถุประสงค์ของการทดลอง Gravity Probe A คือการทดสอบความถูกต้องของหลักการสมดุล หลักการสมดุลเป็นองค์ประกอบสำคัญในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งระบุว่ากฎทางฟิสิกส์นั้นเหมือนกันในกรอบอ้างอิงที่เร่งความเร็วกับกรอบอ้างอิงที่ได้รับอิทธิพลจากสนาม โน้มถ่วง สม่ำเสมอ

หลักการสมดุลสามารถเข้าใจได้โดยการเปรียบเทียบยานอวกาศในสองสถานการณ์ สถานการณ์แรก ลองนึกภาพยานอวกาศที่หยุดนิ่งอยู่บนพื้นผิวโลก วัตถุที่ถูกปล่อยลงไปในยานอวกาศจะตกลงสู่พื้นด้วยความเร่ง9.8 ม./วินาที^²ทีนี้ ลองนึกภาพยานอวกาศที่อยู่ไกลออกไปซึ่งหลุดพ้นจากแรงโน้มถ่วงของโลกและกำลังเร่งความเร็วด้วยอัตราคงที่9.8 ม./วินาที^²เนื่องมาจากแรงขับจากจรวด วัตถุในยานอวกาศที่ไม่ถูกยึดไว้จะเคลื่อนที่ลงสู่พื้นด้วยความเร่ง 9.8 ม./วินาที²9.8 m/s² ^{ตัวอย่าง}นี้แสดงให้เห็นถึงวิธีหนึ่งที่กรอบอ้างอิงที่เร่งความเร็วสม่ำเสมอไม่สามารถแยกแยะได้จากกรอบอ้างอิงแรงโน้มถ่วง

นอกจากนี้ หลักการสมดุลยังระบุว่าปรากฏการณ์ที่เกิดจากผลของแรงเฉื่อยจะเกิดขึ้นเนื่องจากผลของแรงโน้มถ่วงด้วยเช่นกัน ลองพิจารณาลำแสงที่ส่องในแนวนอนผ่านยานอวกาศที่กำลังเร่งความเร็ว ตามมุมมองของผู้สังเกตการณ์ที่ไม่เร่งความเร็วซึ่งอยู่นอกยานอวกาศ พื้นของยานอวกาศจะเร่งความเร็วเข้าหาลำแสงดังนั้น ลำแสงจึงดูเหมือนไม่ได้เดินทางในแนวนอนตามมุมมองของผู้สังเกตการณ์ภายใน แต่ลำแสงดูเหมือนจะเบี่ยงเบนเข้าหาพื้น นี่เป็นตัวอย่างของผลของแรงเฉื่อยที่ทำให้แสงเบี่ยงเบน หลักการสมดุลระบุว่าปรากฏการณ์แรงเฉื่อยนี้จะเกิดขึ้นในกรอบอ้างอิงของแรงโน้มถ่วงด้วยเช่นกัน อันที่จริง ปรากฏการณ์เลนส์โน้มถ่วงระบุว่าสสารสามารถทำให้แสงเบี่ยงเบนได้ และปรากฏการณ์นี้ได้รับการสังเกตโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและการทดลองอื่นๆ

การยืดเวลาหมายถึงการขยายตัวหรือการหดตัวของอัตราการผ่านของเวลา และเป็นหัวข้อของการทดลอง Gravity Probe A ภายใต้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ สสารจะบิดเบือนกาลอวกาศ โดยรอบ การบิดเบือนนี้ทำให้เวลาผ่านไปช้าลงในบริเวณใกล้เคียงกับวัตถุที่มีมวลมาก เมื่อเทียบกับอัตราที่ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ไกลออกไปประสบเมตริกชวาร์ซชิลด์ซึ่งล้อมรอบวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงสมมาตรทรงกลม จะมีค่าสัมประสิทธิ์ที่เล็กกว่าเมื่ออยู่ใกล้กับวัตถุ ซึ่งหมายความว่าอัตราการไหลของเวลาจะช้าลงในบริเวณนั้น ${\displaystyle dt^{2}}$

แนวคิดเรื่องการยืดเวลาที่คล้ายกันนี้ปรากฏในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ของไอน์สไตน์ (ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงหรือแนวคิดเรื่องปริภูมิเวลาโค้ง) การยืดเวลาดังกล่าวปรากฏในพิกัดรินด์เลอร์ซึ่งเกี่ยวข้องกับอนุภาคที่เร่งความเร็วอย่างสม่ำเสมอในปริภูมิเวลาแบนราบ อนุภาคดังกล่าวจะสังเกตเห็นเวลาผ่านไปเร็วขึ้นในด้านที่มันเร่งความเร็วไป และช้าลงในด้านตรงข้าม จากความแปรปรวนของเวลาที่เห็นได้ชัดนี้ ไอน์สไตน์จึงสรุปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงความเร็วส่งผลต่อความสัมพันธ์ของความพร้อมกันสำหรับอนุภาค หลักการสมดุลของไอน์สไตน์ได้ขยายความคล้ายคลึงนี้ โดยระบุว่ากรอบอ้างอิงที่เร่งความเร็วไม่สามารถแยกแยะได้ในระดับท้องถิ่นจากกรอบอ้างอิงเฉื่อยที่มีแรงโน้มถ่วงกระทำอยู่ ด้วยวิธีนี้ ยานสำรวจแรงโน้มถ่วง A จึงเป็นการทดสอบหลักการสมดุล โดยจับคู่การสังเกตการณ์ในกรอบอ้างอิงเฉื่อย (ของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ) ของพื้นผิวโลกที่ได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง กับการคาดการณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษสำหรับกรอบเดียวกันที่ถือว่ากำลังเร่งความเร็วขึ้นไปด้านบนเมื่อเทียบกับกรอบอ้างอิงของการตกอย่างอิสระ ซึ่งสามารถคิดได้ว่าเป็นกรอบเฉื่อยและปราศจากแรงโน้มถ่วง

เดอะยานอวกาศ Gravity Probe A น้ำหนัก 60 กิโลกรัม บรรจุระบบ มาเซอร์ไฮโดรเจน อะตอม มาเซอร์เป็นคำย่อของ Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ( การขยายสัญญาณไมโครเวฟโดยการปล่อยรังสีแบบกระตุ้น) และคล้ายกับเลเซอร์ตรงที่มันสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่สอดคล้องกัน ในย่านไมโครเวฟของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า มาเซอร์ไฮโดรเจนสร้างสัญญาณที่แม่นยำมาก (1.42 พันล้านรอบต่อวินาที) ซึ่งมีความเสถียรสูงถึงหนึ่งส่วนในหนึ่งพันล้านล้านส่วน (10¹⁹)¹⁵ ) นี่เทียบเท่ากับนาฬิกาที่คลาดเคลื่อนน้อยกว่าสองวินาทีทุกๆ 100 ล้านปี ^{[ 5 ]}สัญญาณไมโครเวฟที่ได้จากความถี่มาเซอร์ถูกส่งไปยังพื้นดินตลอดภารกิจ สัญญาณทางเดียวที่ได้รับจากจรวดมีการเลื่อนดอปเปลอร์เชิงสัมพัทธภาพเนื่องจากความเร็วของจรวด และนอกจากนี้ยังมีการเลื่อนดอปเปลอร์สีน้ำเงินเชิงแรงโน้มถ่วงในปริมาณเล็กน้อย

นอกจากมาเซอร์ไฮโดรเจนที่บรรทุกไปกับจรวดแล้ว ยังมีการใช้มาเซอร์ไฮโดรเจนอีกตัวหนึ่งบนพื้นดินเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณไมโครเวฟอย่างต่อเนื่องไปยังจรวด ทรานสปอนเดอร์ไมโครเวฟที่บรรทุกไปกับจรวดจะส่งสัญญาณกลับมายังโลก ระหว่างการขึ้นสู่ท้องฟ้า สัญญาณที่จรวดรับได้จะเกิดการเลื่อนความถี่แบบดอปเปลอร์เนื่องจากความเร็วของจรวด และเกิดการเลื่อนความถี่ไปทางสีแดงเนื่องจากแรงโน้มถ่วงในปริมาณเล็กน้อย สัญญาณทรานสปอนเดอร์ที่รับได้บนพื้นดินจะเกิดการเลื่อนความถี่แบบดอปเปลอร์เนื่องจากความเร็วของจรวด และเกิดการเลื่อนความถี่ไปทางสีน้ำเงินเนื่องจากแรงโน้มถ่วงในปริมาณเท่ากับที่เกิดการเลื่อนความถี่ไปทางสีแดงระหว่างการขึ้นสู่ท้องฟ้า เนื่องจากการเลื่อนความถี่แบบดอปเปลอร์เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของสัญญาณระหว่างการขึ้นสู่ท้องฟ้าจะหักล้างกับการเลื่อนความถี่แบบดอปเปลอร์เนื่องจากแรงโน้มถ่วงระหว่างการลงสู่พื้นโลกอย่างพอดี ดังนั้นการเลื่อนความถี่แบบดอปเปลอร์สองทางของสัญญาณที่รับได้บนพื้นดินจึงขึ้นอยู่กับความเร็วของจรวดเท่านั้น

ในเครื่องผสมความถี่ ไมโครเวฟ ค่าการเลื่อนความถี่แบบดอปเปลอร์สองทางครึ่งหนึ่งจากสัญญาณมาเซอร์ภาคพื้นดินที่ส่งมาจะถูกหักออกจากค่าการเลื่อนความถี่แบบดอปเปลอร์ของมาเซอร์ในอวกาศ ด้วยวิธีนี้ ค่าการเลื่อนความถี่แบบดอปเปลอร์ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของยานอวกาศจะถูกหักล้างออกไปอย่างสมบูรณ์ เหลือเพียงส่วนประกอบของการเลื่อนความถี่แบบดอปเปลอร์ที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงเท่านั้น

ยานสำรวจถูกปล่อยขึ้นไปในแนวดิ่งเกือบสมบูรณ์ เพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในศักย์โน้มถ่วง โดยไปถึงความสูง 10,000 กิโลเมตร (6,200 ไมล์) ที่ความสูงระดับนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่า นาฬิกาควรจะเดิน 4.5 ส่วนใน 10⁶ วินาทีเร็วกว่าหนึ่งเท่าบนโลก ^{10 เท่า หรือประมาณหนึ่งวินาทีทุกๆ 73 ปี [ 6 ]}การสั่นของมาเซอร์แสดงถึงจังหวะของนาฬิกา และโดยการวัดความถี่ของมาเซอร์เมื่อระดับความสูงเปลี่ยนแปลง ผลกระทบของการยืดเวลาเนื่องจากแรงโน้มถ่วงจึงถูกตรวจพบ

เป้าหมายของการทดลองคือการวัดอัตราที่เวลาผ่านไปในศักย์โน้มถ่วงที่สูงขึ้น ดังนั้นเพื่อทดสอบสิ่งนี้ จึงได้เปรียบเทียบมาเซอร์ในยานสำรวจกับมาเซอร์ที่คล้ายกันซึ่งยังคงอยู่บนโลก^{[หน้า 1 ]} ก่อนที่จะเปรียบเทียบ อัตรานาฬิกาทั้งสองได้นั้นได้ทำการลบค่าการเลื่อนดอปเปลอร์ออกจากอัตรานาฬิกาที่วัดได้จากมาเซอร์ที่ส่งขึ้นไปในอวกาศ เพื่อแก้ไขการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างผู้สังเกตการณ์บนโลกและการเคลื่อนที่ของยานสำรวจ จากนั้นจึงเปรียบเทียบอัตรานาฬิกาทั้งสอง และเปรียบเทียบเพิ่มเติมกับคำทำนายทางทฤษฎีว่าอัตรานาฬิกาทั้งสองควรแตกต่างกันอย่างไร ความเสถียรของมาเซอร์ทำให้สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงในอัตราของมาเซอร์ได้ 1 ส่วนใน 10¹⁴สำหรับการวัด 100 วินาที

ดังนั้นการทดลองจึงสามารถทดสอบหลักการสมดุลได้ Gravity Probe A ยืนยันการคาดการณ์ว่ายิ่งลึกเข้าไปในบ่อแรงโน้มถ่วง การไหลของเวลาจะช้าลง^{[ 7 ]}และผลที่สังเกตได้ตรงกับผลที่คาดการณ์ไว้ด้วยความแม่นยำประมาณ 70 ส่วนต่อล้าน

• ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์
• ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
• การเลื่อนแดงเนื่องจากแรงโน้มถ่วง
• ยานสำรวจแรงโน้มถ่วง บี
• การทดลองของ Pound–Rebka
• ลำดับเหตุการณ์ของฟิสิกส์แรงโน้มถ่วง

• การตรวจสอบความคงที่ของตำแหน่งท้องถิ่นผ่านการทดลองการเลื่อนความถี่เนื่องจากแรงโน้มถ่วง

• ชุดสะสม Gravity Probe A จากหอจดหมายเหตุและเอกสารพิเศษ มหาวิทยาลัยอลาบามา ฮันต์สวิลล์