Erdsatelliten testen die Allgemeine Relativit

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Erdsatelliten testen dieAllgemeine
Relativitätstheorie

• Franz Embacher

http//homepage.univie.ac.at/franz.embacher/ franz
.embacher_at_univie.ac.at Fakultät für
PhysikUniversität Wien Österreichischer
AstronomietagKuffner-Sternwarte, Wien, 19. 5.
2007
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Isaac Newton, 1687

• Trägheit ist ein Phänomen, das die Bewegung von
  Körpern auf den absoluten Raum bezieht.
• Rotation relativ zum absoluten Raum führt zu
  Zentrifugalkräften, wie der Eimer-Versuch
  illustriert

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Ernst Mach, 1883

• Es gibt keinen absoluten Raum.
• Trägheit ist ein Phänomen, das die Bewegung von
  Körpern auf die Bewegung aller Körper im
  Universum bezieht (Machsches Prinzip).

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Ernst Mach, 1883

• Die gleichzeitige Rotation der gesamten Materie
  im Universum ist nicht beobachtbar.
• Die Rotation eines Teils des Universums
  beeinflusst das Verhalten von Inertialsystemen.

mehrere Meilen dick
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Machsche Effekte
? The Rotation der Erde sollte (lokale)
Inertialsysteme mitführen.
w wird später Thirring-Lense-Frequenz genannt
werden.
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Kreisel
Bequemer als Eimer mit Wasser sind kräftefrei
aufgehängte Kreisel (Gyroskope)...
Mitführung Präzession der Kreiselachsen
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Albert Einstein, 1915

• Allgemeine Relativitätstheorie
• Gravitation wird mit der Geometrie der Raumzeit
  identifiziert.
• Materie krümmt die Raumzeit.
• Ein (kleiner) Körper bewegt sich unter dem
  Einfluss eines gegebenen Gravitationsfelds, so,
  dass seine Eigenzeit maximal ist.

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Hans Thirring und Joseph Lense, 1918

• Die Newtonsche Gravitationstheorie sagt keine
  Machschen Effekte voraus.
• Die allgemeine Relativitätstheorie hingegen
  schon
• H. Thirring Über die Wirkung rotierender ferner
  Massen in der Einsteinschen GravitationstheorieP
  hys. Zeitschr. 19, 33 (1918)
• H. Thirring Berichtigung zu meiner Arbeit Über
  die Wirkung rotierender ferner Massen in der
  Einsteinschen GravitationstheoriePhys.
  Zeitschr. 22, 19 (1921)
• J. Lense und H. Thirring Über den Einfluss der
  Eigenrotation der Zentralkörper auf die Bewegung
  der Planeten und Monde nach der Einsteinschen
  RelativitätstheoriePhys. Zeitschr. 19, 156
  (1918)

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Rotierender Planet oder Stern

• Thirring-Lense-Präzession(Mitführungseffekt)
  einesKreisels

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Rotierender Planet oder Stern

• Der Mitführungseffekt hängt vom Ort des Kreisels
  ab

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Satellitenbahnen

• Mitführung der Bahnebene

Newtonsche Gravitationstheorie
Allgemeine Relativitätstheorie
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Satellitenbahnen

• Größe des Effekts

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Zwei Effekte für Kreiselachsen

• Die Achse eines in einem
• polaren Satelliten mitgeführten
• Kreisel sollte nach der
• Allg. Relativitätstheorie zwei
• Effekte zeigen
• Geodätische Präzession (Präzession in der
  Bahnebene, unabhängig von der Rotation der Erde)
• Thirring-Lense-Präzession um die Richtung der
  Erdachse (abhängig von der Rotation der Erde)

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Existiert der Thirring-Lense-Effekt in der Natur?

• George Pugh (1959), Leonard Schiff
  (1960)Vorschlag eines Präzisionsexperiments mit
  einem Kreisel im Erdumlauf
• I. Ciufolini, E. Pavlis, F. Chieppa, E.
  Fernandes-Vieira and J. Perez-Mercader Test of
  general relativity and measurement of the
  Lense-Thirring effect with two Earch
  satellitesScience, 279, 2100 (27 March
  1998)Messung des Bahneffekts durch Auswertung
  von Satellitendaten mit 30 Genauigkeit
  (vorläufige Bestätigung)
• I. Ciufolini and E. C. Pavlis A confirmation of
  the general relativistic prediction of the
  Lense-Thirring effectNature, 431, 958 (21
  October 2004)Bestätigung des Bahneffekts durch
  Auswertung von Satellitendaten mit 6
  Genauigkeit
• Gravity Probe B, 2005Erwartete Bestätigung der
  Mitführung von Kreiseln mit 1 Genauigkeit

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Ciufolini et. al., 1998

• 2 Satelliten LAGEOS (NASA, Start 1976) undLAGEOS
  2 (NASA ASI, Start 1992)
• Ursprüngliches Ziel genaueVermessung des
  Erdschwerefelds
• große Halbachsen 12270 km, 12210
  km
• Exzentrizitäten 0.004 km,
  0.014
• Durchmesser 60 cm, Masse 406 kg
• Positionsbestimmung durch Reflexionvon
  Laserpulsen und Laufzeitmessung(bis auf wenige
  mm genau!)
• Auswertung von 4 JahrenPositionsdaten
• Hauptschwierigkeit Abweichungenvon der
  Kugelgestalt der Erde

LAGEOS 2
LAGEOS
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Ciufolini et. al., 1998

• Die Störungen durch die Form der Erde sind
  wesentlich größer als der zu messende Effekt,
  müssen daher berücksichtigt werden!Modell des
  Erd-Gravitationsfeldes EGM-96
• Weiters berücksichtigt wurden
• Bahnstörung durch Strahlungsdruck der Sonne
• Bahnstörung durch Restluftwiderstand
• Variation der Rotationsgeschwindigkeit der Erde
  (Gezeiten!)
• Wanderung der Pole
• Bewegung der Bodenstation durch die
  Kontinentalverschiebung
• Gravitative Störungen durch Mond, Sonne und
  Planeten
• Geschickte Wahl der Messgrößen, um die
  Unsicherheiten inEGM-96 zu kompensieren und
  Machsche von Newtonschen Ursachen der
  Präzession der Bahnebenen zu trennen

Vorläufige Bestätigung
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Ciufolini et. al., 2004

• LAGEOS und LAGEOS 2
• Verbessertes Modell des Erd-GravitationsfeldesE
  IGEN-GRACE02S
• Auswertung von 11 JahrenPositionsdaten
• Verbesserte Wahl der Messgrößen(Kombination
  aufsteigenden Knotender beiden Satelliten)

LAGEOS 2
LAGEOS
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Gravity Probe B

• Satellitengestütztes Experiment, NASA und
  Stanford University
• Ziel direkte Messung der Mitführung(Präzession)
  von Kreiselachsen durchden Thirring-Lense-Effekt
  (Thirring-Schiff-Effekt)
• 4 Kreiseln mit Quarz-Rotoren die rundesten
  Objekte, die je hergestellt wurden!
• Start 20. April 2004
• Flughöhe 400 Meilen
• Bahnebene Erdmittelpunkt Nordpol IM Pegasi
  (Führungsstern)? Startfenster 1 Sekunde!
• Zu berücksichtigen ist die Eigenbewegung des
  FührungssternsIM Pegasi 35 mas/yr
• Selbe Größenordnung wie der Thirring-Lense-Effekt!
  
• Seit 1997 Messung auf 0.1 mas/yr genau (mit VLBI
  im Mikrowellenbereich durch Vergleich mit
  dahinter liegenden Quasaren)

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Gravity Probe B
Francis Everitt auf der Jahrestagung der APS,
Jacksonville, Florida, 14. 4. 2007 ...that the
data from the GP-B gyroscopes clearly
confirm Einstein's predicted geodetic effect to a
precision of better than 1 percent. However, the
frame-dragging effect is 170 times smaller than
the geodetic effect, and Stanford scientists are
still extracting its signature from the
spacecraft data ... ... the team has discovered
small torque and sensor effects that must be
accurately modeled and removed from the result
... ... We anticipate that it will take about
eight more months of detailed data analysis to
realize the full accuracy of the instrument ...
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Gravity Probe B

• Erwartung für Dezember 2007 Bestätigung der
  Thirring-Lense-Frequenz mit einer Genauigkeit von
  1
• Website http//einstein.stanford.edu/

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Danke...
... für Ihre Aufmerksamkeit! Diese
Präsentation finden Sie am Web unter
http//homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/Th
irring-Lense/