Спутники, находящиеся на эксцентричных орбитах, позволят произвести проверку некоторых постулатов Теории Эйнштейна - «Наука и технологии»

В августе прошлого года Европейское космическое агентство произвело запуск пятого и шестого спутников навигационной системы Galileo. Но в ходе запуска в последней ступени ракеты-носителя что-то пошло не так, и оба спутника оказались выведены на орбиту на достаточном удалении от расчетной точки. В результате орбиты спутников оказались не круглой формы по отношению к Земле, а эксцентричными, и это делало невозможным использование этих спутников для навигации. Произведенная позже коррекция позволила уменьшить эксцентричность орбит до разницы в 8 тысяч километров между их перигеем и апогеем относительно Земли, что уже позволило спутникам функционировать в качестве навигационных спутников.

Для инженеров в области спутниковой навигации данная ситуация вылилась в большие неприятности, потребовавшие кардинального изменения программного обеспечения навигационной системы. Но для ученых-физиков эксцентричность орбит стала возможностью для проверки эффекта, определенного Общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Ученые из SYRTE (Sytemes de Reference Temps Espace), одного из отделов Парижской обсерватории, и ZARM (Center of Applied Space Technology and Microgravity), исследовательского центра Бременского университета, Германия, при помощи данных от этих спутников планируют вычислить степень замедления времени в зависимости от уменьшения сил гравитации.

Этот эффект называется гравитационным красным смещением или расширением времени. Он уже наблюдался ранее в ситуации со спутниками различных навигационных систем, сигналы от которых требуют небольшой коррекции в связи с тем, что часы спутников идут немного медленнее, нежели аналогичные часы на Земле. Отношение между уровнем замедления времени и расстоянием до Земли было вычислено в ходе эксперимента 1976 года при помощи космического аппарата Gravity Probe A, который поднялся на высоту в 10 тысяч километров от поверхности Земли. Исследователи сравнили скорость часов на борту этого космического аппарата со скоростью аналогичных часов, оставшихся на Земле, и вычислили разницу течения времени с точностью до 140 миллионных долей процента.

Часы на основе квантового генератора являются достаточно большими и сложными инструментами, которые позволяют измерить время с очень высокой точностью. Такие часы и некоторые другие виды атомных часов устанавливаются на навигационных спутниках и они являются "сердцем" всей навигационной системы. Точность этих часов уже позволяет произвести измерения эффекта релятивистского замедления времени и исследователи из SYRTE и ZARM ухватились за эту возможность.

В отличие от спутников Gravity Probe A, спутники системы Galileo не имеют систем микроволновой двухсторонней радиосвязи, через которую в 1976 году передавалось значение частоты часов квантового генератора. Однако, эти спутники и не нуждаются в такой системе, для получения информации со спутников будет использоваться существующая коммуникационная инфраструктура системы Galileo.

Руководство ЕКА дало добро на проведение исследований в феврале 2015 года, а собственно сбор данных будет начат в 2016 году и продлится ровно один год. "Самым главным является то, что проверка Теории Эйнштейна будет проводиться параллельно с функционированием спутников, без любого вмешательства в их работу" - рассказывает Ксавьер Вентура Травесет (Xavier Ventura Travese), руководитель отдела глобальных навигационных систем Европейского космического агентства.

Спутники навигационной системы постоянно посылают сигналы, в которых содержится информация об их текущем положении, сопровождаемая временными метками. Сделав запись всех сигналов, передаваемых спутниками, находящимися на эксцентричных орбитах, и сопоставив их с метками времени наземных приемных станций, ученые получат возможность вычислить скорость хода часов спутников и изменений этой скорости от местоположения спутника. Для всего этого, кроме сбора данных передаваемых сигналов, для повышения точности ученые планируют использовать лучи лазеров, которые будут нацелены на угловые отражатели, установленные на каждом из спутников.

Исследователи ожидают, что полученные таким образом значения коэффициентов гравитационного замедления времени будут иметь в четыре раза большую точность, нежели измерения, проведенные в 1976 году при помощи спутника Gravity Probe A. "В нашем распоряжении имеется достаточно сильная "модуляция" силы гравитации на разнице высоты орбиты в 8 тысяч километров. Кроме этого, мы имеем возможность накопить серьезное количество статистических данных, в то время, как в ходе эксперимента 1976 года был получен один единственный набор данных" - рассказывает Ксавьер Вентура Травесет.