Jordens vridning av rumtiden mäts med rekordprecision

Jordens så kallade ramsläpning – att en roterande kropp vrider rumtiden en aning omkring sig – har nu mätts med en osäkerhet på omkring 0,2 procent. Det rapporterar Ars Technica om, med utgångspunkt i resultaten från LARES-2, en liten men mycket tät satellit utan elektronik som följs från marken med laser. Genom att mäta flygtiden för laserpulser som studsar tillbaka från satelliten kan forskarna bestämma dess läge med ungefär millimeterprecision.

Mätningen prövar en finstämd förutsägelse i Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, den så kallade Lense–Thirring-effekten. Effekten är lättare att urskilja nära mycket massiva och snabbt roterande objekt, som svarta hål, men kring jorden är signalen svag. Problemet är inte att teorin saknas, utan att den vanliga fysiken dominerar: jorden är inte en perfekt sfär. Den ekvatoriella utbuktningen ger upphov till newtonska störningar i satellitbanor som är långt större än den relativistiska effekten. Därför handlar försöket lika mycket om att bygga bort oönskade krafter som om att ”mäta gravitation”.

LARES-2 är konstruerad för att efterlikna en ideal ”provpartikel”, vars rörelse nästan helt styrs av gravitationen. Ars Technica beskriver den som en massiv sfär av Inconel utan raketmotorer, solpaneler eller elektronik ombord. Den har dessutom mycket låg kvot mellan yta och massa, vilket minskar icke-gravitationella effekter såsom tryck från ljus. I stället för instrument ombord används markbaserade lasrar: stationer på jorden skickar pulser som reflekteras tillbaka av satellitens hörnkuber, och på så vis byggs en lång tidsserie av noggranna banuppgifter. Den datamängd som beskrivs sträcker sig över ungefär tre år och omfattar i storleksordningen hundratusentals laserobservationer.

Analysen bygger också på geometri. Ignazio Ciufolini och fysikern John Archibald Wheeler föreslog tidigare att man kan använda två satelliter med kompletterande banlutningar, så att viktiga newtonska effekter tar ut varandra och ramsläpningen blir kvar som en långsam vridning av banplanet. När jordens ojämna gravitationsfält står för merparten av ”bruset” blir försöket en tävlan mellan två saker: hur väl satelliten verkligen beter sig som en passiv massa och hur väl modellerna kan räkna bort allt som inte är relativitet.

LARES-2 byggdes av den italienska rymdmyndigheten och sköts upp med en Vega-C-raket, men den ledande forskargruppen som Ars Technica beskriver är baserad vid Wuhaninstitutet för fysik och matematik i Kina. I ett område där signalen är liten och mätutrustningen dyr är framsteg ofta mindre en fråga om nya formler och mer om ytterligare ett år av ren spårningsdata från ett objekt som medvetet är konstruerat för att vara så ”ointressant” som möjligt.

LARES-2 är en polerad sfär i medelhög jordbana, och den viktigaste delen av försöket sker efter uppskjutningen: en markstation avfyrar en laser, och satelliten svarar med samma puls, om och om igen.