مسبار الجاذبية B

مسبار الجاذبية B
مسبار الجاذبية أو مسبار فضائي ب لقياس الجاذبية في الفلك وبعثات فضاء (بالإنجليزية:Gravity Probe B) هو قمر صناعي أطلقته ناسا على متن صاروخ حامل من نوع دلتا 2 في 20 أبريل 2004 بغرض قياس الجاذبية في الفضاء.
وتهتم قياسات مسبار ب لقياس الجاذبية لقياس انحناء الزمكان بالقرب من الأرض ووصف حركة الأجسام في الفضاء القريب من الأرض. تتضمن القياسات أختبارات على النظرية النسبية لأينشتاين ونموذج متعلق ب مغناطيسية الجاذبية gravitomagnetism.
وقد أيدت النتائج الأولية تأثيرات المغناطيسية الأرضية إلى درجة عالية من الدقة، نسبة خطأ تبلغ 1% فقط.
ثم نشرت ناسا في ديسمبر 2008 أن تأثير دوران الأرض قد قاسه الجهاز بخطأ مقداره 0.5 % فقط.
مقدمة
.]]
يحوي مسبار ب لقياس الجاذبية جيروسكوب يستطيع قياس تأثيرات النظرية النسبية العامة قامت ناسا بتمويله وإرساله إلى الفضاء. وتعتبر تلك التجربة هي البعثة الثانية بعد مسبار أ لقياس الجاذبية Gravity Probe A في محيط الأرض الذي أطلقته ناسا عام 1976. أشترك في التجربة ب مع ناسا قسم الفيزياء بجامعة ستانفورد كما قامت شركة لوكهيد مارتن ببناء بعض الأجهزة.
التجربة
تتكون تجربة المسبار ب لقياس الجاذبية أربعة جيروسكوبات نوع «لندن» وتلسكوب كمرجع موجه في اتجاه الجرم السماوي HR8703 في كوكبة الفرس الأعظم، يتكون هدا الجرم السماوي من نجم ثنائي. ويدور المسبار حول الأرض في مدار قطبي بحيث أن يكون اتجاه العزم المغزلي للجيروسكوبات أيضا في اتجاه إتش آر 8703، بذلك تكون تأثيرات تباطؤ الإطار المرجعي frame-dragging وتأثيرات دوران الأرض حول محورها على الجهاز عمودية على الجيروسكوبات فيتمكن كل جيروسكوب من قياس التأثير.
الأربعة جيروسكوبات معلقة بواسطة مجالات كهربائية داخل صندوق بها هيليوم في حالة ميوعة فائقة فتعمل على المحافظة على درجة حرارة مقدارها 2 كلفن (أي 271 درجة تحت الصفر المئوي).وتستخدم إجراء التحربة في درجة حرارة شديدة الانخفاض بهذا الحد من أجل تلافي التداخل الجزيئي، ولكي تصبح المواد المكونة للجيروسكوبات وهي الرصاص والنيوبيوم في حالة توصيل فائق.
في وقت تصنيع الجيروسكوبات، وهي كروية الشكل مصنوعة من الكوارتز، كانت تلك الكرات هي أدق كرات صنعت من قبل الإنسان. يبلغ حجم كل منها نحو حجم كرة تنس الطاولة، وكانت كل واحدة منها مثالية التكوير إلى درجة تقل عن 40 ذرة لنصف القطر (أقل من 10 نانومتر). (لو ضُخمت كرة منهم لتصبح في حجم الأرض لكان أعلى جبل أو أعمق بحر عليها يقل عن 2 متر).
كل كرة من الكوارتز مطلية بطبقة رقيقة جدا من النيوبيوم ومعلقة بواسطة مجالات كهربائية بالإضافة إلى سيل من غاز الهيليوم، ويمكن قياس محور دوران كل كرة عن طريق المجال المغناطيسي الناشئ عن النيوبيوم فائق التوصيل (تعمل مادة فائقة التوصيل دوارة على إنتاج مجال مغناطيسي في نفس اتجاه محور دورانها بالضبط).
وتم اختيار الجرم إتش آر 8400 كمرجع للاتجاه لعدة أسباب:
أن يكون متألقا بدرجة كافية،
أنه يقع تقريبا على مدار الاستواء الفلكي،
أن حركتة في السماء معروفة بدقة حيث يُصدر أشعة راديوية شديدة التألق.
تسجل أقل تغير لمحور دوران الجيروسكوبات بواسطة عداد حساس فائق التوصيل يسمى SQUID، وهو قادر على قياس تغير في الزاوية مقداره 1/40.000.000 من الدرجة. بهذا الطريقة يمكن قياس انحناء الزمكان بدقة 0.01%، وهي أدق طريقة استخدمت لإثبات صحة تنبؤات النظرية النسبية. كما قام المسبار بقياس تأثير لينز-ثيرينج بدقة 1 % (أن دوران كتلة كبيرة مثل الأرض تعمل على سحب الزمكان وتدوره معها).
تكلفت التجربة 750 مليون دولار أمريكي.
مسبار فضائي سي لقياس الجاذبية
تجربة هذا المسبار (Gravity Probe C) في سبيل الإعداد وتتكون من قمرين صناعيين يدوران حول الأرض في اتجاه عكسي لبعضهما البعض. وتتنبأ النظرية النسبية بأن تأثير مغناطيسية الجاذبية الناتجة عن دوران الأرض حول محورها تغير فترة دوران القمر الصناعي حول الأرض بمقدار 100 نانوثانية.
نتائج التجربة
كان التقدير النظري للعلماء أن محاور دوران الجيروسكوبات سوف تنحرف بمقدار 6.6 ثانية قوسية أي 1/3600 درجة سنويا بسبب انحناء الزمكان، وبمقدار 42 مللي ثانية قوسية بسبب تأثير لينز-ثيرينج (انظر الصورة). وتعتبر قياس تلك الكميات المتناهية في الصغر من الصعوبة التي تستدعي بناء جهاز الجيروسكوبات البالغ الحساسية. يبلغ قطر الأربعة كرات من الكوارتز المستخدمة للجيروسكوب 3.8 سنتيمتر مثالية الشكل وتدور في الفراغ بسرعة 10.000 دورة/ الثانية. وكان لا بد من تبريد الكرات أثناء التجربة إلى 1.8 درجة كلفن (نحو 271 درجة تحت الصفر المئوي) بحيث تصبح الطبقة الرقيقة من النيوبيوم التي تغطي الكرات فائقة التوصيل. على أن يقوم جهاز دقيق فائق التوصيل أيضا يسمى «سكويد» بقياس انحرافات محاور دوران الكرات. بذلك يصبح في إمكان الجهاز الحساس قياس زاوية انحراف لمحاور دوران الكرات بدقة 1/40.000.000 درجة (ذلك الانحراف يعادل رؤية رأس دبوس من على بعد 1000 كيلومتر). لذلك كانت هناك صعوبة بالغة للعلماء لفصل تأثيرات شوشرة النشاط الشمسي عن الـاثيرات المطلوب تعيينها.
مراجعة ناسا
قامت هيئة مكونة من 15 من العلماء كونتها ناسا لتقييم النتائج الأولية للتجربة واشارت إلى عدم ضرورة استمرار تحليل نتائج التجربة بعد عام 2008. واشاروا إلى أن المصاريف المتعلقة بخفض الشوشرة الناتجة عن التورك العادي وانقطاعات في تسجيل القياسات بسبب النشاط الشمسي كبير بحيث أن أي نتيجة نهائية للتجربة سوف يقابل من قدرا كبيرا من الشكوك بين مجمع العلماء.
دعم من المملكة العربية السعودية
انتهي تمويل ناسا للتجربة في 30 سبتمبر 2008 ولكن فريق العلماء القائم بتجربة مسبار الجاذبية بي حصل على تمويل من مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية KACST بالمملكة العربية السعودية، تكفي لاستمرار عمل فريق العلماء حتى ديسمبر 2009. وفي 29 أغسطس 2008 أنعقدت الجلسة 18 للهيئة الخارجية للإشراف على أبحاث مسبار الجاذبية بي GP-B في جامعة ستانفورد لبحث تقدم التجربة، وأصدرت تقريرها عن التجربة وقدمته لناسا. ويقول التقرير:
"كان التقدم الذي نوقش خلال الاجتماع 18 لهيئة الإشراف على الأبحاث SAC-18 غير عادية ونحيي مجموعة العلماء العاملين على تجربة مسبار الجاذبية بي على ماتصلوا إليه. فقد كان عملهم مضنيا بحيث أخرج التجربة من حيز الفشل الذريع إلى وضع تعتقد هيئة الإشراف على الأبحاث بأنهم سيحصلون على إثبات مقنع للنظرية النسبية، حتى ولو لم تصل دقية التعيين القدر الذي كان مطلوبا في الأصل. ويعتقد رئيس هيئة الإشراف على أبحاث مسبار الجاذبية بي أن ما سيقوم به العلماء من تحسينات يعادل بعثة إنقاذ عمل البصريات على تلسكوب هابل الفضائي، ولكن تكلفته هنا أقل بكثير.SAC #18 Report to NASA}}
ثم قامت مجموعة العلماء القائمة بتحليل قياسات التجربة مع ناسا يوم 4 مايو 2011 بإعلان أن نتائج مسبار الجاذبية GP-B تؤيد في الواقع كلا من تنبؤات النظرية النسبية العامة لأينشتاين.
وقد قبلت الأطروحة العلمية بهذه النتيجة للنشر في المجلة العلمية «فيزيكال رفيو لترز».
المراجع
مصادر خارجية
Gravity Probe B web site at NASA
Gravity Probe B Web site at Stanford
Graphic explanation of how Gravity Probe B works
NASA GP-B launch site
NASA article on the technologies used in Gravity Probe B
Frame Dragging
General Relativistic Frame Dragging
Layman's article on the project progress
جامعة هانوفر
جامعة توبنغن
انظر أيضا
تأثير لينز-ثيرينج
تسارع زاوي
عزم زاوي
بدارية
بدارية لارمور
عزم الدوران
عزم القصور الذاتي
جيروسكوب
الجاذبية
اختبارات النسبية العامة
أقمار اصطناعية دوارة حول الأرض
تجارب فيزيائية
مركبات فضائية أطلقت بواسطة صواريخ دلتا 2