MICROSCOPE-oppdraget presenterer den mest nøyaktige testen av generell relativitets svake ekvivalensprinsipp

I nye studier publisert i Fysiske gjennomgangsbrev og et spesialnummer av Klassisk og kvantegravitasjon 14. september presenterer et team av forskere den mest presise testen til nå av Weak Equivalence Principle, en nøkkelkomponent i den generelle relativitetsteorien. Rapporten beskriver de endelige resultatene fra MIKROSKOP oppdrag, som testet prinsippet ved å måle akselerasjoner av frittfallende objekter i en satellitt som kretser rundt jorden. Teamet fant at akselerasjonene til par av objekter ikke var forskjellig med mer enn omtrent en del av 10¹⁵ utelukker eventuelle brudd på svakt ekvivalensprinsipp eller avvik fra den nåværende forståelsen av generell relativitet på det nivået.

“Vi har nye og mye bedre begrensninger for enhver fremtidig teori, fordi disse teoriene ikke må bryte med ekvivalensprinsippet på dette nivået,” sier Gilles Métris, en forsker ved Côte d’Azur-observatoriet og medlem av MICROSCOPE-teamet.

Teorien om generell relativitet, publisert av Albert Einstein i 1915, beskriver hvordan tyngdekraften fungerer og forholder seg til tid og rom. Men fordi den ikke tar hensyn til observasjonene av kvantefenomener, ser forskerne etter avvik fra teorien ved økende presisjonsnivå og i ulike situasjoner. Slike brudd vil foreslå nye interaksjoner eller krefter som kan forene relativitet med kvantefysikk. Å teste Weak Equivalence Principle (WEP) er en måte å se etter potensielle utvidelser til generell relativitet.

I følge WEP faller objekter i et gravitasjonsfelt på samme måte når ingen andre krefter virker på dem, selv om de har ulik masse eller sammensetning. For å teste prinsippet designet MICROSCOPE-teamet sitt eksperiment for å måle Eötvös-forholdet – som relaterer akselerasjonene til to frittfallende objekter – til ekstremt høy presisjon. Hvis akselerasjonen til ett objekt avviker fra det andres med mer enn omtrent en del av 10¹⁵ville eksperimentet måle det og oppdage dette bruddet på WEP.

For å måle Eötvös-forholdet overvåket forskerne akselerasjonene til testmasser av platina og titanlegeringer mens de gikk i bane rundt jorden i MICROSCOPE-satellitten. Det eksperimentelle instrumentet brukte elektrostatisk
krefter for å holde par av testmasser i samme posisjon i forhold til hverandre og så etter potensielle forskjeller i disse kreftene, noe som skulle indikere forskjeller i objektenes akselerasjoner.

En stor utfordring med eksperimentet var å finne måter å teste instrumentet på jorden for å sikre at det ville fungere som designet i verdensrommet. “Vanskeligheten er at instrumentet vi lanserer ikke kan operere på bakken,” sier Manuel Rodrigues, en forsker ved det franske romfartslaboratoriet. GOD og medlem av MICROSCOPE-teamet. — Så det er en slags blindtest.

Når instrumentet var klart, lanserte teamet det i 2016. De ga ut foreløpige resultater i 2017men de fortsatte å analysere dataene, og gjorde rede for feil og systematiske usikkerheter, etter at oppdraget ble avsluttet i 2018. De fant til slutt ingen brudd på WEP, og satte de strengeste begrensningene for prinsippet ennå.

Teamets arbeid baner vei for enda mer presise tester av WEP med satellitteksperimenter. Analysen deres inkluderer måter å forbedre det eksperimentelle oppsettet på, som å redusere sprekker i satellittbelegget som påvirket akselerasjonsmålinger og erstatte ledninger i oppsettet med kontaktløse enheter. Et satellitteksperiment som implementerer disse oppgraderingene bør være i stand til å måle potensielle brudd på WEP på nivået av en del av 10¹⁷, sier forskerne. Men MICROSCOPE-resultatene vil sannsynligvis forbli de mest presise begrensningene på WEP en stund.

“I minst ett tiår eller kanskje to ser vi ingen forbedring med et romsatellitteksperiment,” sier Rodrigues.

---

---