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2025-05-31T10:56:12Z

Gravity Probe B: linkfix (archive.org)

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'''Gravity Probe''' hießen zwei [[Raumfahrtmission]]en der [[NASA]] zum [[Tests der allgemeinen Relativitätstheorie|Test der allgemeinen Relativitätstheorie]] von [[Albert Einstein]]. Eine vorgeschlagene dritte Mission wurde bisher nicht realisiert. {{Zukunft|3=20190915}}

== Gravity Probe A ==
'''Gravity Probe A''' ('''GP-A''') flog am 16. Juni 1976 mit einer extrem genauen [[Atomuhr]] in einer steilen, [[ballistisch]]en Bahn mit 10.000 km Gipfelhöhe.
Während des knapp zweistündigen Fluges wurde der Gang der Uhr mittels Mikrowellenverbindung mit zwei gleichen Uhren am Boden verglichen.
Dazu wurde das Uhrensignal der Sonde durch einen [[Transponder]] einem vom Boden empfangenen Signal aufgeprägt und wieder zurückgesendet. Dieses Verfahren vermied die störende Wirkung des [[Doppler-Effekt]]s und erlaubte die Messung der auf dem [[Äquivalenzprinzip (Physik)|Äquivalenzprinzip]] beruhenden [[Gravitationsrotverschiebung]] mit einer Genauigkeit von 0,02 %. 1965 lag die Genauigkeit noch bei 1 %, gemessen mittels [[Mößbauer-Effekt]] über eine Fallhöhe von lediglich 15 Metern. Wenig später erlaubte das [[GPS]]-Satellitensystem weitaus genauere Messungen.

== Gravity Probe B ==
Im Satelliten '''Gravity Probe B''' ('''GP-B''') befanden sich frei schwebend vier schnell rotierende Quarzkugeln.
Die extrem genaue Beobachtung ihrer [[Rotationsachse|Drehachsen]] gab Aufschluss auf [[Drehmoment]]e, die durch zwei relativistische Effekte verursacht wurden.
Die Idee dazu stammt von dem Theoretiker [[Leonard Schiff]], der Anfang der 1960er Jahre mit [[William Fairbank Sr.]] darüber diskutierte. Die wissenschaftliche Leitung der NASA-Mission lag bei einem früheren Mitarbeiter von Fairbank an der [[Stanford University]], [[Francis Everitt]]. Die Auswertung der 2004/2005 aufgenommenen, schwer gestörten Daten zog sich bis 2011 hin. Das Ergebnis war wie erwartet in Übereinstimmung mit der Theorie, aber nicht genauer als frühere Messungen mittels der [[Satellitengeodäsie|geodätischen Satelliten]] [[Laser Geodynamics Satellite|LAGEOS]] und [[Gravity Recovery and Climate Experiment|GRACE]].

[[Datei:Artist concept of Gravity Probe B.jpg|mini|Künstlerische Darstellung von Gravity Probe B im Weltraum]]

Die Satelliten-Mission Gravity Probe B sollte – zur Zeit ihrer Planung durch Fairbank ''erstmals'' – eine experimentelle Überprüfung zweier Aussagen der [[Allgemeine Relativitätstheorie|Allgemeinen Relativitätstheorie]] ermöglichen:

[[Datei:Gravity Probe turning axis.gif|mini|Die Raumzeitkrümmung und der Lense-Thirring-Effekt wirken in zueinander senkrecht stehenden Richtungen auf das Gyroskop.]]

# Die gekrümmte [[Raumzeit]]: Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass eine Masse im Raum, beispielsweise die Erde, die umliegende Raumzeit verformt, in dieser eine Delle oder Krümmung erzeugt.
# Der [[Lense-Thirring-Effekt]] (''frame dragging effect''): Wenige Jahre, nachdem Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte, sagten 1918 der österreichische Mathematiker [[Josef Lense]] und der österreichische Physiker [[Hans Thirring]] voraus, dass die Rotation einer Masse im Raum die lokale [[Raumzeit]] mit sich zieht und diese dadurch verdrillt.

Nach den Vorhersagen der Physiker sollten sich die Rotationsachsen der vier [[Gyroskop]]e wegen der Raumzeit-Krümmung pro Jahr um 6606,1 Milli[[bogensekunde]]n neigen und zusätzlich, durch den Lense-Thirring-Effekt, um 39,2 Millibogensekunden in eine andere Richtung.
Die Messung derartig kleiner Änderungen der Rotationsachse ist eine extreme Herausforderung an die Experimentiertechnik.
Die eigens für diese Mission entwickelten Gyroskope bestanden aus Quarzkugeln von der Größe eines Tischtennisballs (3,8 cm), die im Vakuum mit 10.000 Umdrehungen pro Minute rotierten.
Sie wurden auf 1,8 K abgekühlt, um ihre mit [[Niob]] beschichtete Oberfläche [[Supraleitung|supraleitend]] zu machen und durch das [[London-Moment]] ein Magnetfeld in Richtung der Drehachse zu erzeugen.
Veränderungen der Rotationsachse wurden mittels hochempfindlicher supraleitender Quanteninterferenz-Detektoren, sogenannter [[SQUID]]s, erfasst. Äußere Magnetfelder wurden durch eine zweifache Abschirmung aus supraleitendem Material um 240 [[Bel (Einheit)|dB]] reduziert. Auf diese Weise waren Veränderungen von einer Millibogensekunde messbar (bei 10 Stunden Integrationszeit). Unter diesem Winkel erscheint ein Stecknadelkopf im Abstand von 1.000 km.

Die vier Kugeln befanden sich in der Rotationsachse des Satelliten und rotierten paarweise gleich- bzw. gegensinnig. Die Drehachsen wurden gegenüber dem Satelliten gemessen und mit einem kleinen Teleskop in dessen Rotationsachse auf den [[Spektroskopischer Doppelstern|spektroskopischen Doppelstern]] IM [[Pegasus (Sternbild)|Pegasi]]<ref>S.C. Marsden et al.: ''A Sun in the Spectroscopic Binary IM Pegasi, the Guide Star for the Gravity Probe B Mission'', Astrophys. J. Lett., 634, 2005, S. 173–176, {{doi|10.1086/498941}}, {{Webarchiv|url=http://206.23.240.24/papers/apj/impeg/reprint.pdf |wayback=20140302130701 |text=online }} (PDF; 130 kB).</ref>
bezogen.
Zur Lagekontrolle des Satelliten um seine Achse und während der Bedeckungen von IM Pegasi durch die Erde dienten mehrere Startracker und Gyroskope. IM Pegasi wurde gewählt, weil er dicht an der [[Himmelsäquator|Ebene des Erdäquators]] liegt, hell genug für die genaue Peilung ist und seine starken [[Radiowelle|Radioemissionen]] per [[VLBI]] detektiert werden können, sodass seine Bewegung auf das [[International Celestial Reference System|Referenzsystem]] ferner [[Quasar]]e bezogen werden konnte.<ref>D.E. Lebach et al.: ''VLBI Imaging and astrometry of the RS CVn binary star IM Pegasi'', in: R.T. Schilizzi et al. (Hrsg.): ''Galaxies and their Constituents at the Highest Angular Resolutions'', IAU Symp., 205, 2001. {{bibcode|2001IAUS..205..318L}}</ref>

[[Datei:Delta II 7920 into flight.jpg|mini|Gravity Probe B startete am 20. April 2004 um 9:57:24 [[Zeitzone|PDT]] an Bord einer Delta II]]

Der Satellit wurde am 20. April 2004 vom US-Luftwaffenstützpunkt [[Vandenberg Air Force Base|Vandenberg]] an Bord einer [[Delta II|Delta II 7920]]-[[Rakete]] erfolgreich gestartet.
Die Bahn des Satelliten führte in einer Höhe von ca. 740 km über die Pole.

Am 28. August 2004 waren die Vorbereitungen für die eigentlichen Messungen abgeschlossen.
Die zuvor durchgeführten Kalibriermessungen hatten jedoch schon gezeigt, dass unvorhergesehene Effekte (später beschrieben als ''misalignment torque'' und ''roll-polhode resonance torque'') die Rotationsrichtung der Gyroskope beeinflussten. Nachdem die Ursache verstanden war, konnten die Effekte modelliert und zunächst grob herausgerechnet werden. Es handelte sich um eine unerwünschte Kopplung zwischen Kugeloberfläche und Wandung durch inhomogene elektrische Felder aufgrund von lokalen Variationen der [[Austrittsarbeit]].<ref>S. Buchman, J. P. Turneaure: ''The effects of patch-potentials on the gravity probe B gyroscopes'', Rev. Sci. Instrum., 82, 2011, 074502, {{doi|10.1063/1.3608615}}, ([https://pubs.aip.org/aip/rsi/article/82/7/074502/354360/The-effects-of-patch-potentials-on-the-gravity online]).</ref>
Zudem führte eine Wechselwirkung dieses Feldes mit der Aktivität der elektrostatischen Zentrierung der Kugel zu einer Dämpfung ihrer [[Präzession]]sbewegung, was die Analyse der Messwerte erschwerte und verzögerte.

Die aus den eigentlichen Messungen nicht präzise genug ermittelbaren Kopplungskonstanten mit der Wandung, also mit dem rotierenden Satelliten, wurden in einer gegen Ende der Mission vorgesehenen Kalibrierphase gesondert vermessen, indem die Rotationsachse des Satelliten grob falsch eingestellt wurde, was die Störeffekte vervielfachte. Es schloss sich eine weitere Messphase an, bis das Helium für die Kühlung Ende 2005 verbraucht war.

Das öffentliche Eingeständnis der Probleme übernahm Everitt selbst.<ref>Francis Everitt: [http://einstein.stanford.edu/Media/Everitt_Brainstorm-flash.html ''Testing Einstein in Space – The Gravity Probe B Mission''], öffentliche Vorlesung des Missionsleiters am 18. Mai 2006, auf stanford.edu.</ref>

Kurz bevor die NASA-Mission mit dem Jahr 2007 endete, beantragte er eine Verlängerung um ein Jahr, da eine weitere Auswertung genauere Ergebnisse versprach. Dies wurde von anderen Forschern, die um die Finanzierung ihrer Missionen bangten, mit dem Argument kritisiert, dass [[LAGEOS]] bereits ähnlich genaue Tests der Relativitätstheorie ermöglicht hatte. Ein 15-köpfiges Gremium der NASA bewilligte nur noch spärliche Mittel, die durch eine private Spende von Fairbanks Sohn sowie Mittel der Universität ergänzt wurden. Der Schlussbericht der Mission erschien im Dezember 2008,<ref name="AbschlusB">Everitt et al., Stanford Press Department: [http://einstein.stanford.edu/content/final_report/GPB_Final_NASA_Report-020509-web.pdf ''The Gravity Probe B Experiment, Science Result - NASA Final Report''.] (PDF; 2,6 MB)</ref>
die Auswertung wurde aber weitergeführt, u. a. mit Mitteln aus Saudi-Arabien.<ref name="nyt">nytimes.com: [http://www.nytimes.com/2011/05/05/science/space/05gravity.html ''52 Years and $750 Million Prove Einstein Was Right''], 5. Mai 2011.</ref>
Der Schlussbericht der Universität<ref>C. W. F. Everitt et al.: ''Gravity Probe B: Final results of a space experiment to test general relativity'', Phys. Rev. Lett. 106, 2011, S. 221101, {{doi|10.1103/PhysRevLett.106.221101}} ([http://einstein.stanford.edu/content/sci_papers/papers/PhysRevLett.106.221101.pdf online]; PDF; 542 kB).</ref>
erschien unter erneuter öffentlicher Aufmerksamkeit<ref name="nyt" /><ref>[[Der Spiegel]]: [http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/0,1518,760794,00.html ''Nasa-Satellit bestätigt Einstein-Theorie''].</ref>
im Mai 2011.

Der Effekt der Raumzeit-Krümmung (Theorie: 6606,1, alles in Millibogensekunden/Jahr) hatte mit einer Präzision von 0,01 % bestimmt werden sollen, der schwächere Lense-Thirring-Effekt (Theorie: 39,2) auf 1 %. Herausgekommen sind 6601,8 ± 18,3 (0,28 %), bzw. 37,2 ± 7,2 (19 %), Fehlerangaben jeweils [[Empirische Standardabweichung|1 σ]].
Bereits 2004 hatte eine Auswertung von über elf Jahre gesammelten LAGEOS-Bahndaten die Vorhersage des Lense-Thirring-Effekts auf 1 % getroffen mit einer Unsicherheit von 5 %.<ref>{{Internetquelle |autor=Krishna Ramanujan (NASA GSFC) |url=http://www.nasa.gov/vision/earth/lookingatearth/earth_drag.html |titel=As World Turns it Drags Time and Space |datum=2004 |abruf=2004-10-21 |werk=nasa.gov |archiv-url=https://web.archive.org/web/20041025023107/http://www.nasa.gov/vision/earth/lookingatearth/earth_drag.html |archiv-datum=2004-10-25}}</ref>

== Gravity Probe C(lock) ==
'''Gravity Probe C(lock)''' ist ein Vorschlag aus dem Jahr 1997 für eine dritte Mission. Das Experiment würde aus zwei Satelliten bestehen, die auf äquatorialen Umlaufbahnen in entgegengesetzter Richtung die Erde umkreisen. Laut Allgemeiner Relativitätstheorie sollten sich die Umlaufzeiten der Satelliten durch [[Gravitomagnetismus|gravitomagnetische Effekte]] (verursacht durch die Erdrotation) um ca. 100 [[Nanosekunde]]n unterscheiden. Um andere Effekte herausrechnen zu können, müsste vor der Mission das Gravitationsfeld der Erde noch genauer untersucht werden.<ref>{{Webarchiv|url=http://www.iwf.oeaw.ac.at/index.php?id=104 |wayback=20160630183149 |text=Seite des Instituts für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften zu Gravity Probe C }} iwf.oeaw.ac.at, abgerufen am 2. Mai 2011</ref><ref>Frank Gronwald et al.: ''Gravity Probe C(lock) – Probing the gravitomagnetic field of the Earth by means of a clock experiment.'' {{bibcode|1997gr.qc....12054G}}</ref>

== Siehe auch ==
* [[Hafele-Keating-Experiment]]

== Weblinks ==
{{Commonscat|Gravity Probe B}}
* NASA: [http://funphysics.jpl.nasa.gov/technical/grp/grav-probea.html Informationen zu Gravity Probe A] (englisch)
* {{internetquelle |autor=A. Coleman, C. Lundquist |hrsg= M. Louis Salmon Library – University of Alabama in Huntsville |url=http://lib.uah.edu/pdf/gpa.pdf |sprache=englisch |titel=Guide to the Gravity Probe A Collection |datum=2006 |zugriff=2011-04-19 |format=PDF; 565 kB }}
* [http://einstein.stanford.edu/ Seite der Stanford University über Gravity Probe B] (englisch)
* [http://www.nasa.gov/mission_pages/gpb/ Seite der NASA zu Gravity Probe B] (englisch)
* [http://www.ktb.net/%7Ebillmeco/deltagravity.html William Hartensteins Fotos vom Start von Gravity Probe B] (englisch)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Forschungssatellit (Physik)]]
[[Kategorie:NASA]]
[[Kategorie:Test der Allgemeinen Relativitätstheorie]]
[[Kategorie:Raumfahrtmission 1976]]
[[Kategorie:Raumfahrtmission 2004]]

Gravity Probe - Versionsgeschichte

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