Albert Einstein'ın genel görelilik teorisi, Dünya gibi dönen bir kütlenin uzay ve zaman dokusunu etrafında sürekli bir girdapla çektiğini öngörür. Bu olguya, 1918'de modelleyen iki fizikçinin ardından 'çerçeve sürüklenmesi' veya 'Lense-Thirring etkisi' adı verilir. Çerçeve sürüklenmesi, daha büyük kütleler ve daha hızlı dönüşlerle daha belirgin hale gelir, bu nedenle genellikle devasa kara delikler etrafında gözlemlenmiştir.
Dünya'nın döndükçe uzay-zamanı ne kadar büktüğünü ölçmek çok daha zorlu bir görev olmuştur, çünkü gezegenimiz tipik bir kara delikten milyonlarca kat daha hafiftir ve oldukça yavaş döner.
Ancak şimdi, Çin'deki Wuhan Fizik ve Matematik Enstitüsü'nde bir fizikçi olan Ignazio Ciufolini liderliğindeki bir gökbilimciler ekibi, Dünya'nın Lense-Thirring etkisinin bugüne kadarki en doğru ölçümünü bildirdi. Çalışmalarıyla belirsizlikleri yüzde birkaçten sadece yüzde 0.2'ye indirdiler. Ve bunu bir golf topu ile disko küresi arasında bir görünüme sahip bir uydu ile başardılar.
Disko Küresi Uydusu
Ciufolini ve meslektaşlarının deneylerinde kullandığı disko küresi görünümlü uydu, İtalyan Uzay Ajansı tarafından geliştirilen LARES-2 (Laser Relativity Satellite 2) olarak adlandırılıyor. Yoğun bir nikel-krom alaşımı olan Inconel 718'den yapılmış katı bir küre olup, 303 adet köşe küpü retroreflektör ile kaplı ve yaklaşık 40 santimetreden biraz daha büyük bir çapa sahip. İticileri, güneş panelleri veya herhangi bir elektronik aksamı bulunmuyor. Ağırlığı 294.8 kilogram. Bu küçük boyut ve büyük kütle kombinasyonu, orta Dünya yörüngesindeki herhangi bir uydu arasında en düşük alan-kütle oranına sahip olmasını sağlıyor.
Bilim insanlarının tam olarak ihtiyaç duyduğu şey buydu, çünkü bu durum diğer kuvvetlerin etkisini en aza indirmelerine yardımcı oldu.
Ciufolini, "Fikir, yerçekimini ölçmek istiyoruz," dedi. "Uyduya çarpan ve onu iten fotonlar gibi yerçekimsel olmayan etkilerimiz var. Bu nedenle, kütle çok büyük olmalı ve uydunun kesit alanı çok küçük olmalı ki, fotonların neden olduğu ivme çok çok küçük olsun." Teorik fizikte bu tür uydulara 'test parçacıkları' denir, yani hareketleri neredeyse tamamen yerçekimi alanı tarafından belirlenen nesnelerdir. LARES-2, Temmuz 2022'de bir Vega-C roketi ile yaklaşık 12.265 kilometre yükseklikte bir yörüngeye yerleştirildi.
LARES-2 konumuna yerleştirildikten sonra araştırmacılar yer tabanlı lazerlerle onu hedef almaya başladılar.
Senkron Uçuş
LARES-2 üzerindeki retroreflektörler, bir ışık huzmesini geldiği yöne tam olarak yansıtacak şekilde tasarlanmıştır. Ciufolini ve meslektaşları uyduya kısa lazer darbeleri gönderdiklerinde, geri dönen ışığa dayanarak konumunu yaklaşık 1 milimetreye kadar hassasiyetle belirleyebildiler. Temmuz 2022'den Haziran 2025'e kadar uzanan yaklaşık 200.000 gözlem, ekibin Dünya'nın çerçeve sürüklenmesini ölçmek için kullandığı veri kümesini oluşturdu.
Ancak bu kadar hassas konumlandırma bile ekibin istediği doğruluğa ulaşmak için yeterli değildi.
Dünya yörüngesindeki uyduları kullanarak çerçeve sürüklenmesini ölçmenin sorunu, Dünya'nın mükemmel bir küre olmamasıdır. Ekvatoral şişkinliği, uydu yörüngelerine, çerçeve sürüklenmesi sinyalinden kat kat büyük Newton kuvvetleri uygular. Onlarca yıl önce fizikçi John Archibald Wheeler ile çalışırken Ciufolini'nin önerdiği çözüm, birbirini tamamlayan yörüngelerde, yani yörünge eğilimleri toplamı 180 derece olan iki uydu kullanmaktı.
Ciufolini, "Tamamen küresel simetrik bir nesne etrafında dönen bir uyduyu düşünün, bu uydunun yörüngesi bir jiroskop gibi davranırdı," dedi. İdeal koşullar altında, yörünge düzlemi ve uzaydaki yönelimi sabit kalırdı ve bu yönelimi değiştiren tek şey çerçeve sürüklenmesi olurdu.
Ciufolini, "Ancak Dünya küresel olarak simetrik değil," dedi. "Basık, ve bu basıklık yörünge düzleminin yöneliminde bir değişikliğe neden olur." Tamamlayıcı eğilimlere sahip iki uydu ile Newton pertürbasyonları iki yörünge düzleminde eşit ve zıttır ve birbirlerini iptal eder. Her iki yörünge düzlemini de aynı yönde iten Lense-Thirring etkisi cebirsel olarak eklenir - gürültü kaybolur ve göreceli sinyal hayatta kalır.
Bu yüzden LARES-2, NASA'nın 1976'da piyasaya sürülen ve yalnızca yüksek hassasiyetli lazer mesafesi için tasarlanmış bir uydusu olan eski ve daha büyük kuzeni LAGEOS ile senkronize çalışıyordu. LAGEOS ve LARES-2'nin yörünge eğilimleri toplamı 180.01 dereceydi, ki bu ekibin yeterince yakın kabul ettiği bir değerdi.
Ancak Dünya'nın düzensiz şekli tek zorluk değildi.
Gelgitlere Karşı Mücadele
Newton gürültüsü akıllı geometrik iptalle çözüldüğünde, başa çıkılması gereken bir başka pertürbasyon da K1 lunisolar gelgiti adı verilen, Ay ve Güneş'ten kaynaklanan ve Dünya'nın yerçekimi alanını modüle eden bir yerçekimsel bozulmaydı. "Güneş ve Ay Dünya'nın şeklini değiştiriyor ve Dünya'nın şekli etrafındaki yerçekimi alanını değiştiriyor, bu da uydunun yörüngesini biraz değiştiriyor," dedi Ciufolini. "Bu deneyin ana zorluğu bu tek gelgitten kurtulmaktı."
Ekibin çözümü, uyduların tam olarak bir tam 1.050 günlük presesyon döngüsünden ölçümler toplamaktı. Bu süre zarfında, iyi ölçülmüş periyodu ve fazı olan gelgit pertürbasyonu ortalama olarak ortadan kalkar ve verilerden çıkarılabilir.
135 ila 910 gün arasındaki bilinen periyotlara sahip gelgit sinyali ve altı daha küçük gelgit bileşeni çıkarıldıktan sonra, araştırmacılar uyduların birleşik yörüngelerinde yaklaşık 61.3 miliarksananiye/yıl'lık temiz, sabit bir sürüklenme ile karşılaştılar - bu uzay-zaman bükülmesinin imzasıdır.
Bu nihai ölçülen değer, istatistiksel modellerine dayanarak yalnızca binde bir ila ikilik küçük bir hata payı taşıyan Einstein'ın genel görelilik tahminlerine inanılmaz derecede yaklaştı.
Einstein Sonrası Fizik
Ölçüm, genel göreliliği bir kez daha doğruladı, ancak Ciufolini bunun gerçek değerinin elediği şeylerde yattığına inanıyor. Genel görelilik, tüm çabalara rağmen kuantum mekaniği ile uyumsuzdur ve karanlık enerjiyi açıklamaz. Kuantum kütleçekim çerçevelerinden ortaya çıkan önde gelen alternatiflerden biri olan Chern-Simons teorisi, Einstein'ın denklemlerini değiştirir ve kuantum mekaniği ile kütleçekiminin bir arada var olması gereken ultra küçük ölçeklerde çalışmasını sağlayacak matematiksel düzeltmeler getirir.
Einstein'ın fiziğini kuantum mekaniği ile tam olarak uzlaştırmasa ve karanlık enerji sorununa evrensel olarak kabul görmüş bir çözüm sunmasa da, birçok fizikçi Chern-Simons'u 'Her Şeyin Tam Teorisi'ne doğru bizi bir adım daha yaklaştırdığına inanıyor. Ancak sorun şu ki, çerçeve sürüklenmesi için farklı bir büyüklük öngörüyor. Ciufolini, "Çerçeve sürüklenmesini çok hassas bir şekilde ölçerek, Chern-Simons teorisinin öngördüklerine sınırlar koyabildik," dedi. Ölçümü teoriyi çürütmese de, potansiyel varyasyonlarının büyük bir aralığını ortadan kaldırarak kapsamını ciddi şekilde daraltıyor.
Ancak Ciufolini'nin çalışmasının daha Dünya'ya yakın -kelimenin tam anlamıyla- başka sonuçları da var. K1 gelgitinin yerçekimsel bozulmasını uyduların takip verilerinden filtreleyerek ve hassas bir şekilde belirleyerek, deney ayrıca gelgitin gerçek gücünün çok daha doğru bir ölçümünü sağladı; bu da yerbilimleri için yeni bilgiler sağlayabilecek ikincil bir bulgu. Ciufolini, "Çinli meslektaşlarım, gelgitler hakkındaki bilgimizi geliştirirsek, depremlerin çalışmasını dolaylı olarak iyileştirebileceğimizi söylüyorlar," dedi. Ve deneyin fayda sağlamaya devam etmesini bekliyor.
Ciufolini, "Bu lazerle mesafesi ölçülen uyduların özel bir özelliği var: yüzlerce yıl dayanıyorlar," dedi. "Ne kadar beklerseniz, o kadar çok veri biriktirirsiniz ve çerçeve sürüklenmesi ölçümlerinin sonuçları o kadar iyi olur. Bu yüzden belki 100 yıl bekleyebiliriz ve teorik fizik için daha da faydalı olurlar."
