In nieuwe onderzoeken gepubliceerd in Physical Review Letters en een speciale uitgave van Klassieke en Quantum Gravity op 14 september presenteert een team van onderzoekers de meest nauwkeurige test tot nu toe van het Weak Equivalence Principle, een belangrijk onderdeel van de algemene relativiteitstheorie. Het rapport beschrijft de eindresultaten van de MICROSCOPE-missie, die het principe testte door versnellingen van vrij vallende objecten in een satelliet in een baan om de aarde te meten. Het team ontdekte dat de versnellingen van paren objecten niet meer dan ongeveer één deel verschilden in 10 ¹⁵ het uitsluiten van schendingen van het Zwakke Equivalentiebeginsel of afwijkingen van het huidige begrip van de algemene relativiteitstheorie op dat niveau.

"We hebben nieuwe en veel betere beperkingen voor elke toekomstige theorie, omdat deze theorieën het equivalentieprincipe op dit niveau niet mogen schenden", zegt Gilles Métris, een wetenschapper aan het Côte d'Azur Observatorium en lid van het MICROSCOPE-team.

De algemene relativiteitstheorie, gepubliceerd door Albert Einstein in 1915, beschrijft hoe zwaartekracht werkt en zich verhoudt tot tijd en ruimte. Maar omdat het geen rekening houdt met de waarnemingen van kwantumverschijnselen, zoeken onderzoekers naar afwijkingen van de theorie met toenemende precisie en in verschillende situaties. Dergelijke schendingen zouden nieuwe interacties of krachten suggereren die relativiteit met de kwantumfysica zouden kunnen verenigen. Het testen van het Weak Equivalence Principle (WEP) is een manier om te zoeken naar mogelijke uitbreidingen van de algemene relativiteitstheorie.

Volgens de WEP vallen objecten in een zwaartekrachtveld op dezelfde manier als er geen andere krachten op inwerken, zelfs als ze verschillende massa's of samenstellingen hebben. Om het principe te testen, ontwierp het MICROSCOPE-team hun experiment om de Eötvös-verhouding - die de versnellingen van twee vrij vallende objecten in verband brengt - met een extreem hoge precisie te meten. Als de versnelling van het ene object meer dan ongeveer één deel per 10 ¹⁵ verschilt van dat van het andere , zou het experiment het meten en deze schending van de WEP detecteren.

Om de Eötvös-verhouding te meten, volgden de onderzoekers de versnellingen van de testmassa's van platina en titaniumlegeringen terwijl ze om de aarde cirkelden in de MICROSCOPE-satelliet. Het experimentele instrument gebruikte elektrostatische
krachten om paren testmassa's in dezelfde positie ten opzichte van elkaar te houden en zocht naar potentiaalverschillen in deze krachten, die zouden duiden op verschillen in de versnellingen van de objecten.

Een grote uitdaging van het experiment was het vinden van manieren om het instrument op aarde te testen om er zeker van te zijn dat het zou werken zoals ontworpen in de ruimte. "De moeilijkheid is dat het instrument dat we lanceren niet op de grond kan werken", zegt Manuel Rodrigues, een wetenschapper bij het Franse ruimtevaartlaboratorium ONERA en lid van het MICROSCOPE-team. "Het is dus een soort blinde test."

Toen het instrument eenmaal klaar was, lanceerde het team het in 2016. In 2017 publiceerden ze voorlopige resultaten, maar ze gingen door met het analyseren van de gegevens, rekening houdend met glitches en systematische onzekerheden, nadat de missie eindigde in 2018. Uiteindelijk vonden ze geen schending van de WEP , waarbij de strengste beperkingen tot nu toe aan het principe worden gesteld.

Het werk van het team maakt de weg vrij voor nog nauwkeurigere tests van de WEP met satellietexperimenten. Hun analyse omvat manieren om de experimentele opstelling te verbeteren, zoals het verminderen van gekraak in de coating van de satellieten die de versnellingsmetingen beïnvloedde en het vervangen van draden in de opstelling door contactloze apparaten. Een satellietexperiment dat deze upgrades implementeert, zou potentiële schendingen van de WEP moeten kunnen meten op het niveau van één deel op 10 ¹⁷ , zeggen de onderzoekers. Maar de MICROSCOOP-resultaten zullen waarschijnlijk nog een tijdje de meest precieze beperkingen van de WEP blijven.

"Al minstens een decennium of misschien twee zien we geen verbetering met een ruimtesatellietexperiment", zegt Rodrigues. + Verder verkennen

Galileo's experiment met vrije vallende objecten doorstaat ruimtetest en bewijst het equivalentieprincipe verder