Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
Недостаточно лишь проделать точные измерения. Нетривиальной задачей является надлежащая их интерпретация. Напомним, что полное время распространения радиосигналов вблизи верхнего соединения составляет около 2500 с и что нам необходимо оценить все поправки величиной в несколько наносекунд или более. Космический корабль «Викинг» сделал возможным огромное увеличение точности интерпретации, и именно это является его реальным преимуществом. Как было достигнуто это улучшение? Во-первых, необходимо знать орбиты рассматриваемых тел. Спускаемые аппараты «Викинга» позволяют рассматривать Землю и Марс как соответствующие орбитальные объекты; каждый из них имеет отношение площади к массе в несколько миллионов раз меньше, чем для космического корабля, поэтому они соответственно менее подвержены негравитационным ускорениям, которые усложняют модель. Орбиты этих планет могут быть, таким образом, точно
’) Результаты недавних экспериментов, проведенных советскими учеными, по измерению эффекта Шапиро при радиолокации Венеры приведены в статье [54]. — Прим. перев.
6. Экспериментальная проверка ОТО
227
определены из достаточно точных данных, если не учитывать эффектов со стороны почти пренебрежимых гравитационных ускорений, обусловленных малыми астероидами и кометами, которые в данной модели мы игнорируем. Во-вторых, необходимо знать нерелятивистские эффекты, влияющие на распространение сигна'ла. Главный такой эффект обусловлен плазмой солнечной короны. Если измерения времени запаздывания эха .моцут проводиться одновременно на двух сильно разделенных полосах частот, то дисперсионные свойства слабой плазмы (n2 — I ~ /“2, где п — коэффициент преломления, а / — радиочастота) могут быть использованы для устранения ее влияния йа время распространения сигнала. (Общая теория относительности и все другие теории гравитации, до сих пор предложенные, не зависят от частоты со значительно большей точностью, чем та, о которой здесь идет речь.) К сожалению, два спускаемых аппарата «Викинга» были оборудованы только одночастотными импульсными повторителями, которые работали только на частоте 2,2 ГГц в S-полосе. На этой частоте вклад короны в запаздывание возрастает по крайней мере до 100 мкс для лучей, проходящих в нескольких солнечных радиусах от центра Солнца. К счастью, два орбитальных аппарата «Викинга» были оборудованы импульсными повторителями, которые работали на двух частотах: на частоте около 2 ГГц в S-полосе, а также на частоте приблизительно 8 ГГц в Х-полосе. Ho эта возможность, связанная с наличием двухполосного оборудования, была доступна только для линии связи „аппарат — Земля", но не для линии связи „Земля — аппарат". Таким образом, пространственно-временной путь, на котором могла быть достигнута надежная калибровка эффектов плазмы, отличался от пространственно-временного пути, на котором такая калибровка была необходима. Тем не менее даже эта частичная возможность калибровки дала огромное уточнение по сравнению с условиями первых экспериментов с космическими аппаратами, где использовалась лишь одна частота S-полосы.
Чтобы определить плазменные эффекты как можно надежнее, необходимо наблюдать спускаемый аппарат и орбитальный комплекс одновременно. Для этого необходимо использовать две различные наземные установки, поскольку каждая из них может принимать сигналы только от одного космического корабля в данный момент времени. Геометрия задачи накладывала большие ограничения; например, только несколько часов ежедневно станция слежения в Австралии могла наблюдать за орбитальным отсеком «Викинга» в то время, когда станция в Калифорнии наблюдала за спускаемым аппаратом. Большое число этих одновременных наблюдений было проведено вблизи верхнего соединения Марса, которое имело место 25 ноября
8*
228
И. Шапиро
1976 г. Для большинства дней наблюдения данные после калибровки плазменных эффектов согласовались друг с другом в пределах 200 не. Однако примерно для 25% дней, во время которых получались данные, измерения запаздывания, хотя внутренне и согласованные в течение каждого дня, отличались от данных для других дней необъяснимым и несистематическим образом на величину до 15 мкс. Эти отклоняющиеся данные не были объяснены.
Если, как и подобает хорошему экспериментатору, тщательно «замести под ковер» эти отклоняющиеся данные и произвести анализ остальных данных, то результаты окажутся в замечательном согласии с предсказаниями общей теории относительности. Поскольку были получены некоторые полезные данные для лучей, проходивших на расстоянии до четырех солнечных радиусов от центра Солнца, то характерное логарифмическое поведение At было выявлено достаточно отчетливо, чтобы дать оценку значения у, которое лишь незначительно коррелировало с оценками для орбитальных параметров Земли и Марса.
Был проведен предварительный анализ, в котором измерения задержки, полученной вблизи верхнего соединения, сравнивались с предсказаниями общей теории относительности для орбитального движения и результатами определения положения спускаемого аппарата относительно станции слежения, полученными вдали от верхнего соединения. Этот анализ [35] дал результаты, замечательно согласующиеся с общей теорией относительности; любые отклонения от у — 1 были значительно ниже ожидаемой неточности a (y) =0,01. Недавний улучшенный анализ дал значение [5, 27]
