L'eccentricità relativistica dei satelliti Galileo 5 e 6 raggiunge un'ampiezza di picco di circa 370 nanosecondi (miliardesimi di secondo), guidato dal cambiamento di altitudine, e quindi cambiando i livelli di gravità, delle loro orbite ellittiche intorno alla Terra. Una modulazione periodica di queste dimensioni è chiaramente distinguibile, data la relativa stabilità di frequenza degli orologi atomici Passive Hydrogen Maser a bordo dei satelliti. Credito:Agenzia spaziale europea
Il sistema europeo di navigazione satellitare Galileo, già al servizio degli utenti di tutto il mondo, ha ora fornito un servizio storico alla comunità dei fisici di tutto il mondo, consentendo la misurazione più accurata mai effettuata di come i cambiamenti di gravità alterano il passare del tempo, un elemento chiave della teoria della relatività generale di Einstein.
Due team europei di fisica fondamentale che lavorano in parallelo hanno ottenuto indipendentemente circa un miglioramento di cinque volte nella misurazione dell'accuratezza dell'effetto di dilatazione del tempo guidato dalla gravità noto come "redshift gravitazionale".
Il prestigioso Lettere di revisione fisica rivista ha appena pubblicato i risultati indipendenti ottenuti da entrambi i consorzi, raccolti da più di mille giorni di dati ottenuti dalla coppia di satelliti Galileo in orbite allungate.
"È estremamente soddisfacente per l'ESA vedere che la nostra aspettativa iniziale che tali risultati potessero essere teoricamente possibili ora è stata confermata in termini pratici, fornendo il primo miglioramento segnalato del test del redshift gravitazionale da oltre 40 anni, " commenta Javier Ventura-Traveset, Capo dell'Ufficio scientifico della navigazione Galileo dell'ESA.
"Questi straordinari risultati sono stati resi possibili grazie alle caratteristiche uniche dei satelliti Galileo, in particolare le altissime stabilità dei loro orologi atomici di bordo, le precisioni ottenibili nella determinazione della loro orbita e la presenza di retroriflettori laser, che consentono di effettuare misurazioni orbitali indipendenti e molto precise da terra, chiave per districare gli errori di clock e di orbita."
Queste attività di ricerca parallele, noto come GRANDE (Galileo gravitational Redshift Experiment con satelliti eccentrici), sono stati guidati rispettivamente dal SYRTE Observatoire de Paris in Francia e dal Centro tedesco di tecnologia spaziale applicata e microgravità ZARM, coordinato dal Galileo Navigation Science Office dell'ESA e supportato attraverso le sue attività di base.
I satelliti Galileo 5 e 6 sono stati lanciati in orbite allungate difettose da uno stadio superiore Soyuz difettoso durante il loro lancio nel 2014. Ciò li ha resi incapaci di visualizzare l'intero disco terrestre durante il punto più basso o il perigeo delle loro orbite, rendendo inutilizzabili i loro payload di navigazione, perché usano un sensore di terra per centrare i loro raggi di segnale. Le successive manovre orbitali sono riuscite a rendere le loro orbite più circolari e i loro payload di navigazione usbale perché hanno mantenuto la vista dell'intero disco terrestre attraverso ogni orbita. Tuttavia le loro orbite rimangono ellittiche rispetto al resto della costellazione di Galileo. Credito:Agenzia spaziale europea
Risultati felici da un incidente infelice
Questi risultati sono il felice esito di un infelice incidente:nel 2014 i satelliti Galileo 5 e 6 sono stati bloccati in orbite errate da uno stadio superiore Soyuz malfunzionante, bloccandone l'utilizzo per la navigazione. I controllori di volo dell'ESA sono entrati in azione, effettuando un audace salvataggio nello spazio per alzare i punti bassi delle orbite dei satelliti e renderli più circolari.
Una volta che i satelliti hanno ottenuto la vista dell'intero disco terrestre, le loro antenne potrebbero essere bloccate sul loro pianeta natale e i loro payload di navigazione potrebbero essere effettivamente accesi. I satelliti sono oggi in uso nell'ambito dei servizi di ricerca e soccorso di Galileo, mentre la loro integrazione nell'ambito delle operazioni nominali di Galileo è attualmente in fase di valutazione finale da parte dell'ESA e della Commissione europea.
Però, le loro orbite rimangono ellittiche, con ogni satellite che sale e scende per circa 8500 km due volte al giorno. Erano questi cambiamenti regolari in altezza, e quindi i livelli di gravità, che ha reso i satelliti così preziosi per i team di ricerca.
Rievocare la previsione di Einstein
Albert Einstein predisse un secolo fa che il tempo sarebbe passato più lentamente vicino a un oggetto massiccio, una scoperta che da allora è stata verificata sperimentalmente diverse volte - in modo più significativo nel 1976, quando un orologio atomico maser a idrogeno sul razzo suborbitale Gravity Probe-A è stato lanciato a 10.000 km nello spazio, confermando la previsione di Einstein entro 140 parti per milione.
Infatti, gli orologi atomici a bordo dei satelliti di navigazione devono già tenere conto del fatto che corrono più velocemente in orbita che a terra, pari a pochi decimi di microsecondo al giorno, che comporterebbe errori di navigazione di circa 10 km giornalieri, se non corretto.
Modulazione periodica del redshift gravitazionale per l'orbita di un giorno dei satelliti Galileo orbitanti eccentricamente. Credito:Agenzia spaziale europea
Le due squadre si sono affidate al cronometraggio stabile degli orologi passivi a idrogeno maser (PHM) a bordo di ciascun Galileo - stabili a un secondo in tre milioni di anni - e hanno impedito al segmento terrestre mondiale di Galileo di andare alla deriva.
"Il fatto che i satelliti Galileo trasportino orologi maser passivi a idrogeno, era essenziale per l'accuratezza ottenibile di questi test, " ha osservato Sven Hermann del Centro ZARM di tecnologia spaziale applicata e microgravità dell'Università di Brema.
"Mentre ogni satellite Galileo trasporta due orologi maser al rubidio e due a idrogeno, solo uno di questi è il clock di trasmissione attivo. Durante il nostro periodo di osservazione, ci concentriamo quindi sui periodi di tempo in cui i satelliti trasmettevano con orologi PHM e valutiamo con molta attenzione la qualità di questi preziosi dati. Miglioramenti continui nella lavorazione ed in particolare nella modellazione degli orologi, potrebbe portare a risultati più rigorosi in futuro".
Affinare i risultati
Una sfida chiave in tre anni di lavoro è stata quella di perfezionare le misurazioni del redshift gravitazionale eliminando gli effetti sistematici come l'errore dell'orologio e la deriva orbitale dovuti a fattori come il rigonfiamento equatoriale della Terra, l'influenza del campo magnetico terrestre, variazioni di temperatura e persino la spinta sottile ma persistente della luce solare stessa, noto come 'pressione di radiazione solare.'
"La modellazione attenta e conservativa e il controllo di questi errori sistematici sono stati essenziali, con stabilità fino a quattro picosecondi nel periodo orbitale di 13 ore dei satelliti; questo è il quattro milionesimo di un milionesimo di secondo, " Pacôme Delva del SYRTE Observatoire de Paris.
"Ciò ha richiesto il supporto di molti esperti, con in particolare l'esperienza dell'ESA grazie alla loro conoscenza del sistema Galileo."
Il preciso tracciamento satellitare è stato reso possibile dall'International Laser Ranging Service, laser luminosi fino ai retroriflettori dei Galileo per controlli orbitali su scala centimetrica.
Importante supporto è stato ricevuto anche dall'Ufficio di supporto alla navigazione con sede presso il centro operativo ESOC dell'ESA in Germania, i cui esperti hanno generato l'orologio stabile di riferimento e i prodotti orbitali per i due satelliti eccentrici Galileo e hanno anche determinato gli errori residui delle orbite dopo le misurazioni laser.
