Einstein meegesleurd

Nog altijd is Einsteins relativiteitstheorie niet afdoende getest. De Gravity Probe B-satelliet gaat op zoek naar het meeslepen van de ruimtetijd om de draaiende aarde. Een one trick pony van 700 miljoen dollar.

De aanhouder wint. Komende zaterdag brengt – als alles goed gaat – een Delta 2-raket, gelanceerd vanaf luchtmachtbasis Vandenberg in Californië, de Gravity Probe B in de ruimte. De plannen voor deze satelliet, die effecten van de algemene relativiteitstheorie van Einstein moet meten, dateren al van 1959. In zijn vijfenveertigjarig bestaan is het project van Stanford University en de Nasa vanwege technische moeilijkheden zeven keer geschrapt, en even vaak gereanimeerd. Inmiddels zijn de kosten opgelopen tot 700 miljoen dollar. Tegenstanders vragen zich af of dat niet wat veel is voor een enkelvoudig experiment met voorspelbare uitkomst.

Aan de andere kant: verwachtingen zijn in de natuurkunde vaker gelogenstraft. Gravity Probe B heeft een technisch vernuftig ontwerp, met als hart vier gyroscopen in de vorm van pingpongballen. De satelliet moet een elegant en zeer precies fysisch experiment uitvoeren dat later net zo'n klassieker kan blijken als de slinger van Foucault in het Panthéon of de proef van Michelson en Morley in Cleveland. Foucault leverde in 1851 een direct bewijs van de draaiing van de aarde. Michelson en Morley vonden in 1887 tot hun grote verrassing een constante lichtsnelheid en legden daarmee de basis voor Einsteins speciale relativiteitstheorie.

De algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht beschrijft, is gepubliceerd in 1916. De essentie daarvan is dat massa in zijn directe omgeving een kromming van de ruimtetijd teweegbrengt. Einstein voorzag drie experimentele tests: een verandering in de baan van de planeet Mercurius, het afbuigen van sterlicht dat langs de zon scheert en de verkleuring (richting rood) van licht dat een ster verlaat. Het gaat om kleine effecten die pas met de komst van lasers en precisieklokken nauwkeurig te meten waren. De roodverschuiving is in 1976 bevestigd door een klok aan boord van de Gravity Probe A te vergelijken met een tweelingklok op aarde. Voor alle experimenten gold dat ze Einstein in het gelijk stelden.

Niet alle voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie zijn afdoende gecheckt. Zo zijn zwaartekrachtsgolven, rimpelingen in de ruimtetijd, alleen indirect aangetoond (in om elkaar heen draaiende neutronensterren). Ook nog open staat frame dragging: in 1918 toonden de Oostenrijkers Joseph Lense en Hans Thirring aan dat een zwaar object de omringende ruimte niet alleen vervormt, maar bij rotatie de ruimtetijd ook een beetje met zich meesleept.

navigatie

Het is dit esoterische effect dat Gravitation Probe B als eerste in een direct experiment wil meten. Dat moet gebeuren door heel precies de veranderingen in oriëntatie van vier gyroscopen over een periode van twaalf maanden te volgen. Gyroscopen bestaan uit tollende voorwerpen die geneigd zijn hun oriëntatie van de draaias stabiel te houden – ze vinden toepassing in navigatie. Het was in 1959 dat Leonard Schiff van Stanford bedacht dat gyroscopen in de ruimte de mogelijkheid boden om de frame dragging te meten. Schiff rekende voor dat een gyroscoop in een baan op 640 kilometer boven het aardoppervlak, voerend over beide polen, in een jaar tijd 0,042 boogseconden in oriëntatie zou veranderen als gevolg van de rotatie van de aarde (een boogseconde is 1/3600 graad). Gravity Probe B moet dit minuscule effect meten tot op één procent nauwkeurig. En dat ondanks het feit dat de `gewone' kromming van de ruimtetijd als gevolg van de aanwezigheid van de aarde een aanzienlijk groter effect op een ruimtegyroscoop heeft: 6,6 boogseconden verandering per jaar. De opzet van het experiment moet dus zodanig zijn dat beide effecten uit elkaar zijn te trekken.

Hoe speelt Gravity Probe B dat klaar? Het hart van de constructie bestaat uit een blok kwarts, een halve meter groot, met holtes voor vier pingpongballen, eveneens van kwarts. Via een speciale constructie wordt bereikt dat de `gewichtsloosheid' van het systeem uitkomt op 0,1 miljardste g (met g de zwaartekrachtsversnelling op aarde), een verbetering ten opzichte van een gewone satelliet met een factor duizend. Aan het kwartsblok bevestigd is een telescoop die tot taak heeft een vooraf gekozen vast punt aan de hemel te volgen: dubbelster HR8703 in het sterrebeeld Pegasus. Ook de telescoop is van kwarts (een materiaal dat is gekozen om zijn grote stabiliteit) en om de stabiliteit verder te vergroten zijn de oppervlakken van de twintig onderdelen zo vlak en schoon gemaakt dat ze, eenmaal tegen elkaar gedrukt, ook zonder lijm of mechanische verbindingen blijven `plakken'. De telescoop `ziet' veranderingen van 0,0001 boogseconden.

sigarenkoker

Koeling van de constructie tot vlak boven het absolute nulpunt en hoogvacuüm in het kwartsblok komt de stabiliteit extra ten goede. Daartoe is het geheel ondergebracht in een sigarenkoker (de Probe) van bijna drie meter lengte, die op zijn beurt in een thermosfles steekt met (bij vertrek) 1500 liter vloeibaar helium, voldoende voor twee jaar. Door het helium af te pompen daalt de temperatuur tot 1,8 graad boven het absolute nulpunt. Om de sigarenkoker zit een loodmantel die bij deze koude supergeleidend is (elektrische weerstand nul) en zo ieder verstorend aardmagnetisch veld buiten de deur houdt. Samengevat: de gyroscopen opereren bij extreem lage druk, extreem lage temperatuur, extreem lage g en extreem laag magnetisch veld.

De bolvorm van de gyroscopen is ongeëvenaard: als de aarde zo rond was mat de hoogste berg anderhalve meter. Ze zijn bedekt met een niobium-coating, in die omstandigheden een supergeleidend metaal. Ze zweven in hun holtes in het blok en blijven binnen een miljoenste centimeter nauwkeurig op hun plaats dankzij elektrodes. De gyroscopen worden in de ruimte op toeren gebracht (10.000 omwentelingen per minuut) door er heliumdamp langs te leiden, waarna de holtes zo sterk vacuüm worden gezogen dat het toerental na duizend jaar pas met één procent gedaald zou zijn. Door de baan van Gravity Probe B over de polen te leggen staan beide te meten effecten, oriëntatieverandering van de gyroscopen door gekromde ruimte én frame dragging, loodrecht op elkaar. Alle vier de gyroscopen pikken deze combinatie op. Twee draaien met de klok mee, twee er tegenin.

Het meten van de stand van de draaias lijkt een onmogelijke opgave bij een homogene bol. Uitkomst biedt het London-effect: een draaiende supergeleider genereert een magnetisch veld dat de oriëntatie van de as verraadt. Dat veld wordt opgepikt door een supergeleidende stroomkring (een squid) die in staat is minuscule veranderingen in magnetische veldsterkte (veroorzaakt door een kantelende gyroscoop) waar te nemen, corresponderend met 0,0001 boogseconde – tevens de nauwkeurigheid van de telescoop. En dat alles zonder de gyroscoop te beïnvloeden.

hobbels

Drijvende kracht achter de Gravity Probe B is Francis Everitt, hoogleraar natuurkunde aan Stanford. Hij is sinds 1962 bij het project betrokken, en wist in 1984 bij de Nasa gedaan te krijgen dat de satelliet daadwerkelijk gebouwd werd. Dat had heel wat voeten in de aarde: er waren enorme technische hobbels te nemen en zeven keer moest Everitt lobbyen om het stopgezette project weer tot leven te wekken. Inmiddels groeide de kritiek dat Gravity Probe B zo duur was dat andere projecten er onder leden. En dat terwijl het, in tegenstelling tot bijvoorbeeld Chandra (een röntgensatelliet) maar om één experiment gaat. Bovendien wezen waarnemingen aan neutronensterren uit dat Einstein het zeer waarschijnlijk voor de zoveelste keer bij het rechte eind zou hebben. Was 700 miljoen dollar niet veel geld voor iets dat je eigenlijk al wist?

Maar Everitt, principal investigator van de missie, gaf geen krimp. Het experiment beslist, luidt zijn devies, aan vooroordelen heeft hij geen boodschap en inmiddels heeft het Stanford-project een kleine vijftig PhD's opgeleverd. Gravity Probe B zal als eerste belangrijke effecten direct meten, verweert hij zich, en wel in een echt fysisch experiment onder controleerbare omstandigheden. Over twee jaar weten we meer.