作者：Davide Castelvecchi
科学家希望一个能反射激光的球体能以最精确的测量数据帮助我们洞悉地球自转如何导致时空扭曲。
一颗新发射的卫星将测量地球自转如何拉拽了周围时空的结构——这是爱因斯坦广义相对论中提出的一种效应——并将此前的测量精度提高十倍。
LARES-2的表面覆盖了数百个反射镜，这些反射镜将用来反射全球激光测距站网络发出的光脉冲。来源：CNES/ESA/Arianespace/Optique Vidéo CSG/P. Baudon
7月13日，这颗“激光相对论卫星2号”（LARES-2）从法属圭亚那库鲁的欧洲空间局（ESA）太空港升空。这枚卫星由意大利航天局（ASI）花费约1000万欧元（约合7300万元人民币）建造，搭乘欧洲Vega运载火箭的升级版——Vega C的首飞升空。
该任务的负责人、意大利萨兰托大学的物理学家Ignazio Ciufolini说：火箭的表现“非常出色”。他还表示，“欧洲空间局和意大利航天局把该卫星送入轨道的误差只有400米。”精准的定位可以提高研究人员的测量精度。
美国佛罗里达大学的理论物理学家Clifford Will说：“我认为这次行动是我们在测量该效应道路上跨出的一大步。”
反射球
LARES-2的结构非常简单：它是个有303块反射镜覆盖的金属球，不带任何电子设备或是导航控制系统。这种类似迪斯科球的设计和它的前代——2012年发射的广义相对论实验卫星LARES，以及NASA于1970年代发射的用来研究地球重力的探测器LAGEOS都很像。（Lares读法是LAY-reez，是古罗马的异教神。）
LARES-2将重约295千克的材料全部装进了一个直径不到50厘米的球中。球的密度可以尽量减少如太阳光的辐射压或是地球高空大气的微弱引力，罗马大学的航天工程师Antonio Paolozzi解释道。在对定制的高密度材料进行实验之后，团队选择了一种现成的镍合金。这种合金的密度在可接受范围内，并且能让LARES-2满足Vega C的首飞要求，同时不需要开展昂贵的飞行资格测试。
Ciufolini和他的同事计划利用现有的全球激光测距站网络追踪LARES-2接下来几年的飞行轨道。这类探测器能持续提供几十年的数据。“你什么都不用做，只要朝它发激光就好了，”Will说，“从性价比上看这是件省钱的好事。”
根据牛顿重力学，环绕一个完美球体行星运动的天体会一直绕着同一个椭圆旋转，亘古不变。但在1913年，爱因斯坦与合作者Michele Besso利用广义相对论的一个基础版本提出，如果这个行星在自转，就会导致卫星轨道出现稍许偏移。对该效应的精确数学计算在1918年由奥地利物理学家Josef Lense和Hans Thirring推导出。现代的计算方式预测，这种Lense-Thirring效应——一种相对论的“参考系拖曳”（frame dragging）——应该会让轨道平面以每年860万分之一度的速度绕地轴“进动”，也就是旋转。
实际上，地球本身并不是一个完美的球形，而“更像是一个土豆”，Ciufolini说。这会导致地球的引力场变得不规则，而这正是LAGEOS的测量目标。这些不规则会产生额外的轨道进动，让相对论效应更难测量。但是如果直接比较两颗卫星的轨道，这些不规则的部分就可以互相抵消。
LARES-2于7月13日搭乘Vega C火箭升空。来源：CNES/ESA/Arianespace/Optique Vidéo CSG/S. Martin
Ciufolini从1984年写博士论文时就开始酝酿LARES任务的概念了。他首次应用这一原理是在2004年[1]，通过比较LAGEOS和LAGEOS-2（意大利航天局发射的另一个类似探测器）的轨道测量参考系拖曳。他和他在美国马里兰大学的合作者Erricos Pavlis表示，他们已经把该效应的测量精度提高到了10%。
虽然结果还不够精确，但该团队俨然胜过了NASA一项耗费8亿美元的实验，NASA的这个实验计划使用另一种技术测量参考系拖曳。这个名为“引力探测器B”（Gravity Probe B）的复杂任务是在2004年发射的，测量的并不是探测器绕地轨道的变化，而是四个自转球体的倾斜度变化——它们每年会改变一个极小的角度。未知的复杂因素使力探测器B只能达到20%的精度，大大落后于它一开始定下的1%的目标[2]。
发射限制
Ciufolini和他的团队随后用LARES将早先结果的精度提升到了2%。LARES是首个专为这类实验设计的探测器。但是它的运载火箭——老版Vega火箭——存在限制，意味着LARES之前只能到达1450千米的高空。现在，LARES-2能到达更合适的5900千米的高度，那里地球引力场的不规则性会减弱，而参考系拖曳的效应仍旧很强。
这次任务的目标是达到0.2%的精度，而精准进入轨道应该能让这一目标变得更易实现，Ciufolini说道，这或许能让团队验证广义相对论是否打败了其他时空理论。
法国高等科学研究所（IHES）的理论物理学家Thibault Damour称赞了这一实验的低成本。Damour说：“如果能找到[与理论预测的]偏差，那就是重大成果了。”但他也表示，之前已经在太空中用更严格的实验验证过广义相对论。NASA的“卡西尼号”（Cassini）土星探测器就测量过广义相对论的另一个效应，精度几乎达到了万分之一[4]。
虽然地球周围的参考系拖曳效应较弱，但该效应在两个黑洞螺旋式靠近且发生并合的时候会变得很大。引力波天文台可能已经开始在一些黑洞对的最终轨道上探测到这种效应了：从引力波的形状他们可以计算出较轻的黑洞以多快速度进动，以及较重的黑洞以多快的速度自旋。Ciufolini说，有了对引力波的探测，理解参考系拖曳“就成了天体物理学的基本问题了”。
参考文献：
1. Ciufolini, I. & Pavlis, E. C. Nature 431, 958–960 (2004).
2. Everitt, C. W. F. et al. Phys. Rev. Lett. 106, 221101 (2011).
3. Ciufolini, I. et al. Eur. Phys. J. C 79, 872 (2019).
4. Bertotti, B., Iess, L. & Tortora, P. Nature 425, 374–376 (2003).
原文以Disco-ball satellite will put Einstein’s theory to strictest test yet为标题发表在2022年7月25日《自然》的新闻版块上
发表于 2023-4-13 22:14
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