GRAVITY PROBE-B - 3 měsíce na oběžné dráze

Hlavním úkolem družice je změřit dva mimořádně jemné efekty, způsobované obecnou teorií relativity: zakřivení časoprostoru v blízkosti hmotného tělesa (Země) a unášení časoprostoru rotujícím hmotným objektem. První efekt (tzv. geodetic warping) by měl podle teorie způsobit vychýlení rotační osy gyroskopu o 6,6144´´ (obloukové vteřiny) za jeden rok ve směru pohybu družice na oběžné dráze. Druhý efekt (tzv. frame dragging) by zase měl vychýlit rotační osu gyroskopu o 0,0409´´ (obloukové vteřiny) ve směru rotace Země.

Myšlenka prověřit důsledky teorie relativity v praxi, na palubě umělé družice Země, vznikla v roce 1959, tedy před 45 roky. První úvahy tehdy vedli Leonard Schiff, William Fairbank a Robert Cannon. V roce 1960 byla tato myšlenka dána "na papír", v roce 1964 byly vyčleněny finanční prostředky na přípravné práce a v roce 1973 finance na realizaci experimentálního zařízení. 18. 6. 1976 nosná raketa Scout D-1 vynesla na suborbitální dráhu zařízení s názvem Gravity Probe-A. Let probíhal 115 minut a zařízení se dostalo do vzdálenosti 10 230 km od povrchu Země. Se vzdalováním od Země, se zmenšující se přitažlivostí, očekávali vědci zrychlení chodu hodin na palubě experimentální družice o hodnotu 7.10^-10. Tato předpověď byla potvrzena s přesností na 0,007 %.

Než byly zahájeny práce na realizaci družice Gravity Probe-B, uplynula spousta let. Tzv. vývojová fáze A probíhala v letech 1985-87. Nejprve se počítalo s experimentem na palubě raketoplánu (projekt STORE) a v případě úspěšného průběhu měla být družice vypuštěna některým dalším raketoplánem na samostatnou oběžnou dráhu kolem Země. V roce 1992 byl experiment na palubě raketoplánu zrušen.

V roce 1993 se projekt dostal do fáze detailního projektování a následné výroby. Zakázku obdržela firma se současným názvem Lockheed Martin. Nádobu na kapalné helium (chladící medium) vyrobila firma Ball Aerospace. V roce 1995 hrozilo projektu zrušení pro nedostatek finančních prostředků. Kongres však poskytl další peníze a datum startu bylo stanoveno na březen 2000.

Startovní hmotnost družice činila 3100 kg, její délka je 6,43 m a průměr 2,64 m. Důležitou součástí družice je dewarová nádoba, obsahující 2441 litrů kapalného helia o teplotě 1,8 K (-271,4 °C). Výroba družice probíhala v prostorách s mimořádně vysokou čistotou - i nepatrná mikročástice prachu by mohla narušit činnost celého zařízení.

Družice je vybavena dalekohledem typu Cassegraine s objektivem o průměru 142 mm a ohniskové vzdálenosti 3810 mm. Zorné pole dalekohledu činí asi 1´ (jednu obloukovou minutu). Dalším nezbytným vybavením jsou čtyři gyroskopy ve tvaru absolutně přesné koule o průměru 38,1 mm, které jsou vyrobeny z homogenního taveného křemene. Čistota křemene je mimořádná - pouze 2 částice nečistot připadají na 1 milión částic křemene. Odchylka od ideální koule dosahuje pouze 8 nm (tj. 40 vrstev atomů). Kdybychom kuličky gyroskopu zvětšili na velikost naší Země, pak by na jejím povrchu byly "kopce" o výšce maximálně 2,5 m!

Povrch kuliček byl pokryt rovnoměrnou vrstvou supravodivého niobu o tloušťce 1270 nm. Na pracovní rychlost 5 000 až 10 000 otáček za minutu budou kuličky postupně roztočeny proudem čistého helia. Speciální magnetometry jsou schopny zjistit odchylku rotační osy gyroskopu s přesností na 0,0001´´ (obloukové vteřiny).

Družice zaujala na oběžné dráze kolem Země zadanou polohu, kterou musí neustále udržovat s vysokou přesností. To je zajištěno pomocí dvou hvězdných detektorů, korekčních motorků a pomalou rotací družice rychlostí 0,3 až 1,0 otáčky za minutu. Jako "záměrný" cíl byla vybrána hvězda IM v souhvězdí Pegasa (HR 8703), nacházející se ve vzdálenosti 300 světelných let. Hvězda je známa mj. jako radiový zdroj a v její blízkosti se na obloze nachází vzdálený kvasar. Díky tomu může být pomocí pozemních interferometrů velice přesně určována poloha a pohyb zmíněné hvězdy. Existují i další důvody, proč byla vybrána právě IM Peg, o nichž si můžete přečíst ve zdrojovém článku. Poloha družice Gravity Probe-B na oběžné dráze kolem Země je určována s přesností 1 cm pomocí navigačního systému GPS.

Přípravy ke startu probíhaly nejdříve bez problémů. Přesto byl termín startu posunut z března na říjen 2000. Pak se začaly objevovat nejrůznější problémy. Start byl odložen nejprve na září 2001, později na říjen 2002. Dodatečné úpravy družice "spolkly" ročně zhruba 50 miliónů dolarů. 10. 7. 2003 byla družice dopravena na místo startu, na základnu Vandenberg. Po několika dalších odkladech se družice nakonec dostala na oběžnou dráhu kolem Země 20. 4. 2004.

O tři dny později byly prověřeny systémy řízení a komunikace. 28. 4. 2004 se uskutečnila korekce dráhy, přičemž výsledná odchylka od požadované hodnoty sklonu dráhy k rovníku byla 6krát menší. Činnost družice je naplánována na 18 měsíců, z toho prvních 40 až 60 dnů bylo určeno na korekce dráhy, prověrky systémů a uvedení všech přístrojů do pracovního režimu. Vědecká měření budou probíhat 13 až 15 měsíců a budou ukončena 1 až 2 měsíce před vyčerpáním chladícího media. Následovat budou různá testovací a kalibrační měření.

80 dnů po navedení na oběžnou dráhu je družice ve výborném stavu, všechny její subsystémy pracují bez problémů. Všechny 4 gyroskopy rotují rychlostí 180 otáček za minutu. Před dvěma týdny byl do paměti počítače nainstalován nový software pro řízení a kontrolu 14 raketových mikromotorků z celkového počtu 16 motorků (2 problémové motorky byly vyřazeny z provozu). Družice rotuje rychlostí 0,52 otáčky za minutu kolem podélné osy, která směřuje ke hvězdě IM Pegasi. Stále ještě probíhá fáze prověrek a testování jednotlivých systémů družice. Rychlost rotace kuliček gyroskopů se bude postupně zvyšovat a podle předpokladu dosáhne hodnoty mezi 7 200 až 10 200 otáček za minutu.

Průběžné informace o stavu projektu družice Gravity Probe-B a probíhajícím letu naleznete na http://einstein.stanford.edu/.

Zdroj: Novosti kosmonavtiki 6/2004 upravil F. Martinek)
Převzato: Hvězdárna Valašské Meziříčí