【寰宇天文】用發射失敗的衛星來檢驗廣義相對論

■歐洲太空總署(ESA)決定利用發射失敗的兩顆伽利略衛星來驗證愛因斯坦的廣義相對論。

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撰文|陳勁豪

伽利略定位系統是歐盟正在建造的衛星定位系統。計畫發射三十顆衛星,希望能夠為用戶提供更準確的數據,並對高緯度地區例如北歐的瑞典挪威等地提高更高的覆蓋率。但是伽利略計畫的進度其實一直不太順利,使得到2015年12月為止只發射了十二顆衛星。

伽利略計畫的第五跟第六號衛星在2014年8月22日發射,不過兩顆衛星卻沒有依照預定計畫進入目標軌道,而是使軌道變成了一個拉長的橢圓形。ESA的工作人員希望能夠改變這兩顆衛星的軌道,讓軌道能夠更接近圓形。ESA修正軌道過後的這兩顆衛星應該可以擔任衛星導航的任務,但是事實上,這兩顆衛星的軌道依舊相當橢圓,每天約會兩次上升下降達8500公里。

這樣的軌道變化讓這兩顆衛星搖身一變突然可以作為用來檢測愛因斯坦的廣義相對論的絕佳實驗器材。愛因斯坦的廣義相對論表示,時間的流動在靠近質量大的物體時會變慢,也就是說搭載在衛星上的原子鐘,會跑得比在地球表面的原子鐘快一點,大約是是每天快上百分之一秒左右。這個效應在1976年就已經經由Gravity Probe A,利用氫原子邁射原子鐘證實。

現在,科學家打算利用搭載在這兩顆伽利略衛星上的氫原子邁射原子鐘來再次驗證這個效應。由於這兩顆衛星的運行軌道每天都會有著8500公里的高度變化,因此可以仔細測量重力對時間延遲的影響。而佈滿世界各地的地面觀測站將可以對衛星的位置進行精確的標定。由於衛星將利用一年的時間多次環繞地球,科學家預期這項實驗的結果將大幅提昇測量的精準度。

美國有句諺語,"When Life Gives You Lemons, Make Lemonade",中文約可以翻為「當生活給了你一顆檸檬,你可以把它變成好喝的檸檬汁」,也就是鼓勵人正面思考。顯然歐洲太空總署也發揮了類似的精神,把發射失敗的兩顆衛星變成新的實驗偵測器。希望一年之後,我們可以看到他們的實驗成果。

ESA 2015/11/09: Galileo Satellites set for year-long Einstein Experiment

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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