اثرات نسبیتی ساعت اتمی در فضاپیما

اثرات نسبیتی ساعت اتمی در فضاپیما

تکنولوژی ساعت‌های اتمی در دهه‌ی اخیر به طرز چشم‌گیری پیشرفت کرده است. این ساعت‌ها بسیار دقیق هستند تا آن‌جا که خطای نسبی آن‌هایی که در سطح کره‌ی زمین استفاده می‌شود تا حدود ۱۸-۱۰ می‌رسد. استفاده از ساعت‌های اتمی در فضا داستان خود را دارد. دقیق‌ترین ساعت پایداری که برای استفاده در فضا (کاوش ACES) ساخته شده است قرار است در سال ۲۰۱۶ در ایستگاه فضایی بین‌المللی نصب شود (با دقت نسبی حدود ۱۶-۱۰). در حد این دقت‌ها اثرات نسبیتی نقش مهمی را ایفا می‌کنند.

نمایی از سیستم مدار بیضوی گردش ماهواره به دور زمین. نقاط مشکی نمایانگر ماهواره در حضیض مداریش و گیرنده‌ی زمینی هستند. مختصات و زوایای مشخص شده در شکل برای محاسبات مداری در مقاله استفاده شده‌اند.

نمایی از سیستم مدار بیضوی گردش ماهواره به دور زمین. نقاط مشکی نمایانگر ماهواره در حضیض مداریش و گیرنده‌ی زمینی هستند. مختصات و زوایای مشخص شده در شکل برای محاسبات مداری در مقاله استفاده شده‌اند.

با پیشرفت تکنولوژی، انتظار می‌رود که ساعت‌های بسیار دقیق زمینی بتوانند در فضا و در انجام آزمایش‌های دقیق مربوط به اندازه‌گیری زمان از جمله در تعیین مدارها استفاده شوند.

این پیشرفت، امکان مشاهده و اندازه‌گیری اثرات پیش‌بینی شده توسط نسبیت عام را در میدان گرانشی زمین فراهم می‌کند. شاید بارها با اصطلاح نسبیت عام برخورد کرده‌ باشید. نظریه‌ی نسبیت عام، گرانش را به عنوان یک پدیده‌ی هندسی (و نه یک نیرو) در نظر می‌گیرد که می‌توان آن را از یک فضا-زمان خمیده‌ی چهاربعدی (سه مؤلفه‌ی مکانی و یک مؤلفه‌ی زمانی) به دست آورد. خمش فضا-زمان در نسبیت عام توسط معادلات میدان انیشتین نمایش داده می‌شود که در واقع معادلات دیفرانسیلی است با مشتقات پاره‌ای که در آن خمش فضا-زمان با انرژی و تکانه‌ی ماده و تابش متناسب است. با در نظر گرفتن جرم و تکانه‌‌ی زمین، می‌توان مسیرهای ماهواره‌هایی را که آزادانه دور زمین می‌چرخند مشخص کرد. اصل هم‌ارزی انیشتین می‌گوید ساعت اتمی قرار گرفته در ماهواره (بدون در نظر گرفتن موقعیت یا سرعت ماهواره) در دستگاه خود با نرخ ثابت و در بازه‌های زمانی یکسان تیک-تاک می‌کند و سیگنال می‌فرستد.

پژوهشگران این مقاله، فرمالیسمی برای مطالعه‌ی اثرات نسبیتی ارائه می‌دهند. آن‌ها آزمایشی را شبیه‌سازی می‌کنند که در آن می‌توان فیزیک گرانش را امتحان کرد. روش این آزمایش بدین صورت است که یک ماهواره حامل یک ساعت اتمی بسیار دقیق، سیگنال‌های تیک-تاک ساعت را به یک گیرنده در زمین می‌فرستد و زمان رسیدن این سیگنال‌ها با یک ساعت زمینی مقایسه می‌شود. یک ماهواره که آزادانه حول زمین می‌گردد متناوبا سیگنال‌های تیک-تاک به زمین می‌فرستد و به مسیر چهاربعدی حساس است. این آزمایش درست برعکس آزمایش‌های زمینی است که در آن ساعت ثابت است و گرانش بر اساس تاثیراتش بر تغییر زمان (و نه مکان) بررسی می‌شود.

مسئله‌ای که در این مقاله بررسی می‌شود محاسبه‌ی شاهدهای نسبیتی از طریق ساعت‌هایی است که به دور زمین در گردشند. محاسبات پژوهشگران این مقاله نشان می‌دهد که تاخیر زمانی شاپیرو۱، انحراف مسیر یا حرکت تقدیمی مدارهای مشابه عطارد۲، کشش چارچوب۳، و احتمالا تاثیرات اسپین-توان دو۴ با کاوش‌های زمانی ماهواره‌ها در آینده قابل آشکارسازیند. راهکار پیش‌گرفته در این مقاله قابل تعمیم به مدارهای مختلف حول هر جسم گرانشی خواهد بود و محدود به زمین نمی‌باشد. در این مقاله دو نوع مدار دایره‌ای و بیضوی بررسی شده‌اند. به‌خصوص شبیه‌سازی مدار بیضوی بسیار جالب و قابل توجه است از این جهت که میدان گرانشی، مقادیر مختلفی در نقاط مختلف مدار بیضوی به خود می‌گیرد و در نتیجه اثرات نسبیتی متغیر وجود دارد. محققان این پژوهش هم‌چنین مشاهده کرده‌اند که در نقطه‌ی حضیض مدار بیضوی که دارای سرعت بیشتری است، اثرات نسبیتی مداری تا حدود یک مرتبه افزایش می‌یابد ولی روی اثرات نسبیتی ارسال سیگنال تاثیری ندارند.

به طور خلاصه، پژوهشگران این مقاله نشان می‌دهند که ۱) اختلال‌های شوارتزشیلد (خمیدگی فضای مداری) توسط بررسی آثارشان روی مدار ماهواره و گسترش و پخش سیگنال‌ها قابل اندازه‌گیری هستند، ۲) کشش چارچوب مدار قابل اندازه‌گیری است، و ۳) در حالت خوش‌بینانه، اثرات متریک اسپین-توان دو ممکن است برای اولین بار قابل اندازه‌گیری باشد. تخمین پژوهشگران این تحقیق نشان می‌دهد که یک ساعت با دقت نسبی ۱۶-۱۰ که روی یک مدار بیضوی قرار گرفته است می‌تواند تمام این اثرات را اندازه بگیرد ولی برای یک مدار دایره‌ای نزدیک زمین آشکارسازی این تاثیرات سخت‌تر خواهد بود.

۱. تاخیر زمانی شاپیرو یا تاخیر زمانی گرانشی، اثری است که در آن سیگنال رادارها وقتی از نزدیکی یک جسم پرجرم عبور می‌کند کمی بیش‌تر طول می‌کشد تا به گیرنده برسد، نسبت به حالتی که جسمی وجود نداشته باشد.

۲. حرکت تقدیمی مدار عطارد: به تغییر جهت محور چرخش عطارد به دور خورشید گفته می‌شود که به دلیل بیضوی بودن مدار و گرانش خورشید و اثرات نسبیت عام، قطر بلندتر بیضی مدار پیرامون خورشید می‌چرخد و حضیض خورشید پیشروی می‌کند و همیشه در نقطه‌ی ثابتی اتفاق نمی‌افتد.

۳. کشش چارچوب: چرخش یک جسم پرجرم، متریک فضا-زمان را دچار اعوجاج می‌کند و باعث می‌شود که مدار یک ذره‌ی آزمون نزدیک به آن دچار حرکت تقدیمی شود.

۴. اثرات اسپین-توان دو: این‌ها تعداد زیادی از اثرات نسبیتی هستند که با توان دوم اسپین زمین متناسبند. این اثرات هنوز مشاهده نشده‌اند و انتظار می‌رود که تاثیرات غیرمستقیم روی مدارها و مسیر نور داشته باشند.

عنوان اصلی مقاله:
Spacecraft Clocks and Relativity: Prospects for Future Satellite Missions
نویسندگان:
Raymond Angélil, Prasenjit Saha, Ruxandra Bondarescu, Philippe Jetzer, Andreas Schärer, Andrew Lundgren
این مقاله برای چاپ در نشریه‌ی Physical Review D پذیرفته شده است.
لینک مقاله‌ اصلی: http://arxiv.org/abs/1402.6698
گردآوری: آزاده کیوانی
دسته‌ها: مقالات روز
برچسب‌ها: ماهواره, نسبیت

درباره نویسنده

آزاده کیوانی

پژوهشگر پَسادکترا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است که در زمینه‌ی اخترفیزیک ذره‌ای پژوهش می‌کند. در حال حاضر عضو تیم تحقیقاتی AMON و هم‌چنین عضو رصدخانه‌ی نوترینوی IceCube است. او در سال ۲۰۱۳ دکترای خود را در رشته‌ی اخترفیزیک از دانشگاه ایالتی لوییزیانا گرفته است و در طول تحصیلات تکمیلیش عضو رصدخانه Pierre Auger بوده است. پروژه‌ی دکترای او بررسی تأثیرات میدان مغناطیسی کهکشان راه شیری بر روی انحراف پرتوهای کیهانی پرانرژی در راستای شناخت منشأ و نوع این ذرات بوده است.

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*