Het Europese Galileo-satellietnavigatiesysteem – dat gebruikers al wereldwijd bedient – ​​heeft nu een historische dienst geleverd aan de natuurkundige gemeenschap over de hele wereld, waardoor de meest nauwkeurige meting ooit is gemaakt van hoe verschuivingen in zwaartekracht het verstrijken van de tijd veranderen, een sleutelelement van Einsteins algemene relativiteitstheorie.

Twee Europese fundamentele fysica-teams die parallel werken, hebben onafhankelijk van elkaar een vijfvoudige verbetering bereikt in de meetnauwkeurigheid van het zwaartekrachtgestuurde tijddilatatie-effect dat bekend staat als 'gravitationele roodverschuiving'.

de prestigieuze Fysieke beoordelingsbrieven tijdschrift heeft zojuist de onafhankelijke resultaten van beide consortia gepubliceerd, verzameld uit meer dan duizend dagen aan gegevens verkregen van het paar Galileo-satellieten in langgerekte banen.

"Het is enorm bevredigend voor ESA om te zien dat onze oorspronkelijke verwachting dat dergelijke resultaten theoretisch mogelijk zouden zijn, nu in praktische termen zijn uitgekomen, de eerste gerapporteerde verbetering van de gravitationele roodverschuivingstest in meer dan 40 jaar, " zegt Javier Ventura-Traveset, Hoofd van ESA's Galileo Navigation Science Office.

"Deze buitengewone resultaten zijn mogelijk gemaakt dankzij de unieke eigenschappen van de Galileo-satellieten, met name de zeer hoge stabiliteit van hun atoomklokken aan boord, de bij hun baanbepaling bereikbare nauwkeurigheden en de aanwezigheid van laser-retroreflectoren, waarmee onafhankelijke en zeer nauwkeurige baanmetingen vanaf de grond kunnen worden uitgevoerd, sleutel om klok- en baanfouten te ontwarren."

Deze parallelle onderzoeksactiviteiten, bekend als GREAT (Galileo gravitationele roodverschuivingsexperiment met excentrische satellieten), werden geleid door respectievelijk het SYRTE Observatoire de Paris in Frankrijk en het Duitse ZARM Centre of Applied Space Technology and Microgravity, gecoördineerd door ESA's Galileo Navigation Science Office en ondersteund door zijn basisactiviteiten.

Gelukkige resultaten van een ongelukkig ongeval

Deze bevindingen zijn het gelukkige resultaat van een ongelukkig ongeluk:in 2014 strandden Galileo-satellieten 5 en 6 in verkeerde banen door een defecte Sojoez-boventrap, het gebruik ervan voor navigatie te blokkeren. ESA-vluchtleiders kwamen in actie, het uitvoeren van een gedurfde berging in de ruimte om de lage punten van de banen van de satellieten te verhogen en ze meer cirkelvormig te maken.

Zodra de satellieten de hele aardeschijf konden zien, konden hun antennes op hun thuiswereld worden vergrendeld en konden hun navigatieladingen inderdaad worden ingeschakeld. De satellieten worden momenteel gebruikt als onderdeel van de zoek- en reddingsdiensten van Galileo, terwijl hun integratie als onderdeel van nominale Galileo-operaties momenteel wordt beoordeeld door ESA en de Europese Commissie.

Echter, hun banen blijven elliptisch, waarbij elke satelliet twee keer per dag zo'n 8500 km klimt en daalt. Het waren deze regelmatige verschuivingen in hoogte, en dus zwaartekrachtniveaus, die de satellieten zo waardevol maakten voor de onderzoeksteams.

Einsteins voorspelling naspelen

Albert Einstein voorspelde een eeuw geleden dat de tijd langzamer zou gaan in de buurt van een massief object, een bevinding die sindsdien meerdere keren experimenteel is geverifieerd - het meest significant in 1976 toen een waterstofmaser-atoomklok op de Gravity Probe-A suborbitale raket 10 000 km de ruimte in werd gelanceerd, bevestiging van de voorspelling van Einstein tot binnen 140 delen per miljoen.

In feite, atoomklokken aan boord van navigatiesatellieten moeten er al rekening mee houden dat ze in een baan om de aarde sneller gaan dan op de grond – tot enkele tienden van een microseconde per dag, wat zou resulteren in navigatiefouten van ongeveer 10 km per dag, indien niet gecorrigeerd.

De twee teams vertrouwden op de stabiele tijdwaarneming van de passieve waterstofmaser (PHM)-klokken aan boord van elke Galileo - stabiel tot één seconde in drie miljoen jaar - en werden voorkomen dat ze door het wereldwijde Galileo-grondsegment zouden afdrijven.

"Het feit dat de Galileo-satellieten passieve waterstofmaserklokken dragen, essentieel was voor de haalbare nauwkeurigheid van deze tests, " merkte Sven Hermann op van het ZARM Center of Applied Space Technology and Microgravity van de Universiteit van Bremen.

"Terwijl elke Galileo-satelliet twee rubidium- en twee waterstofmaserklokken draagt, slechts één daarvan is de actieve zendklok. Tijdens onze observatieperiode we richten ons vervolgens op de tijdsperioden waarin de satellieten met PHM-klokken uitzenden en beoordelen de kwaliteit van deze kostbare gegevens zeer zorgvuldig. Voortdurende verbeteringen in de verwerking en in het bijzonder in de modellering van de klokken, zou in de toekomst tot scherpere resultaten kunnen leiden."

De resultaten verfijnen

Een belangrijke uitdaging gedurende drie jaar werk was het verfijnen van de zwaartekrachtmetingen van de roodverschuiving door het elimineren van systematische effecten zoals klokfouten en orbitale drift als gevolg van factoren zoals de equatoriale uitstulping van de aarde, de invloed van het aardmagnetisch veld, temperatuurschommelingen en zelfs de subtiele maar aanhoudende druk van zonlicht zelf, bekend als 'zonnestralingsdruk'.

"Zorgvuldige en conservatieve modellering en controle van deze systematische fouten is essentieel geweest, met stabiliteiten tot vier picoseconden gedurende de 13 uur durende omlooptijd van de satellieten; dit is vier miljoenste van een miljoenste van een seconde, " Pacôme Delva van SYRTE Observatoire de Paris.

"Dit vereiste de steun van veel experts, met met name de expertise van ESA dankzij hun kennis van het Galileo-systeem."

Nauwkeurige satellietvolging werd mogelijk gemaakt door de International Laser Ranging Service, stralende lasers tot aan de retroreflectoren van de Galileos voor orbitale controles op centimeters.

Er werd ook belangrijke steun ontvangen van het Navigation Support Office in het ESOC-operatiecentrum van ESA in Duitsland, wiens experts de referentie-stabiele klok- en baanproducten voor de twee Galileo excentrische satellieten genereerden en ook de resterende fouten van de banen bepaalden na de lasermetingen.