Gravity Probe B - חלק שלישי.

לב ליבו של הניסוי Gravity Probe B הוא מערך של ארבעה גירוסקופים מעשה ידי אמן הנמצאים בנפילה חופשית בשדה הכבידה של כדה"א. ארבעת הגירוסקופים הם כדורי קוורץ שכדוריותם לוטשה בהתמדה בדיוק של שכבות מולקולריות בודדות. כה מושלמת היא כדוריותם עד כי לו היינו מגדילים מימדיהם לכדי ממדי כדה"א עצמו, היו "ההרים" הגבוהים ביותר המצויים עליו מתנשאים לגובה של פחות מ- 2.4 מטר מעל לעמקים הנמוכים ביותר שבו... הכדורים הללו מצופים בשכבה דקיקה (1270 ננומטר) של המתכת ניאוביום המתאפיינת במוליכות-על בטמפרטורות בהן ההליום מתנזל בריק. לעובדה זו, כפי שניווכח מיד, חשיבות מכרעת במערך הניסוי. (קרדיט: כל התמונות מכאן ואילך לקוחות מאתר הניסוי. הערה: אם אין לכם פס רחב אולי כדאי יהיה לוותר על ההורדה...)

הכדור והתושבת - perfect match

ארבעת הגירוסקופים דלעיל מסודרים במערך של שני זוגות המאונכים זה לזה, מקובעים בתוך מיכל ואקום השקוע באמבט של הליום נוזלי המצוי בקביעות בטמפרטורה של קצת פחות משתי מעלות קלווין. בטמפרטורה זו המעטפת החיצונית של הכדורים נמצאת בפאזה של הולכת-על כלומר, אפס התנגדות חשמלית. בתנאים אלו מתמיד הזרם החשמלי בזרימתו עד סוף כל הדורות, אלא אם הוא מופרע ע"י גורמים חיצוניים. כל כדור מרחף בתוך תושבת מיוחדת ומסתחרר סביב צירו בקצב של 4000 סיבובים בדקה. מגע קל בין התושבת והכדור - ושלום על ישראל. בהסתחרר הכדור סביב צירו מסתחרר עימו השריג האטומי המרכיב את מעטפתו, ובדיוק באותה מהירות זוויתית. אלא ש"ים" האלקטרונים החופשי לזרום ללא "חיכוך" על פני השריג מפגר אחרי סיבוב השריג ומתקבלת צפיפות זרם חשמלי בכיוון קווי הרוחב של הכדור. צפיפות הזרם הזו משרה דיפול מגנטי מוחשי ביותר (המכונה בז'רגון המקצועי London moment) המתלכד במדוייק עם ציר הסיבוב. מערך הגירוסקופים המסתחררים וכלי המדידה הנלווים להם עטופים ברדיד עופרת על-מוליך הממסך את המערכת מפני השדה המגנטי של כדה"א עצמו.

כל המערכת הזו נישאת ע"ג לווין המשוגר למסלול מעגלי בגובה 642 ק"מ מעל פני הים, ובמישור המכיל את ציר הסיבוב של כדור הארץ. במצב זה נמצא לווין הניסוי כל העת בנפילה חופשית, בדיוק כמו כל לווין אחר במסלול סביב גרם שמימי. היות ומערכת מקומית המצוייה בנפילה חופשית היא מערכת התמד מושלמת, ממדל כל אחד ואחד מארבעת הגירוסקופים שלנו מערכת התמד בדיוק מופתי. וכך, עם כל הקפה והקפה, חוצה הלווין הנושא את המערכת הניסויית את "מרחב ההשפעה" הכבידתי של כדור הארץ, וזה האחרון מטביע חותמו בצירי הסיחרור של הכדורים, המתלכדים כאמור עם כיוון הדיפולים המגנטיים. אלו האחרונים ניתנים למדידה בדיוק רב ביותר ובאמצעותם ניתן לעקוב אחר השינויים הצפויים בוקטור המהירות הזוויתית. כפי שתארתי ברשומה הקודמת בנושא, שתי תרומות להסטה: זו הנגרמת מעקמומיות המרחב-זמן וזו הנגרמת מגרירת מסגרת; הנה שני איורים נאים הממחישים את האפקטים, בתוספת התרומות הכמותיות להסטה הזוויתית:

שתי ההשפעות הכבידתיות על ציר הסיבוב. הנוסחא
למטה בצד שמאל היא קירוב מעולה לשדה כבידה חלש.

כיוון שכיוונו של ציר הסיבוב הוא זה העומד בליבת העניין, היה על הנסיינים לפתח שיטת חישה סופר-עדינה ובמרכזה נקודת ייחוס קוסמית נייחת קבועה ויציבה. על הלווין הונח טלסקופ משוכלל עם מערכת עקיבה אשר כוון כל העת אל עבר נקודה נייחת, בהירה מספיק, אי שם במעבה הגלקסיה, וערכת הניסוי צמודה לו כל העת. לצורך זה ראוי היה לבחור קאווזרים הרחוקים מאות מליוני שנות אור מכדה"א אלא שלמרבה הצער הללו חיוורים מידי מפאת מרחקם. לכן בחר צוות הניסוי בכוכב זוהר ויציב יחסית בשביל החלב, IM Pegasi שמו. ברי שבחירה זו איננה ראוייה כיוון שכוכבים המצויים בתוך שביל החלב אינם יכולים להיחשב "נקודה נייחת" בהיותם מבצעים תנועה מתמדת ביחס למערכת השמש. תנועה זו היא אמנם מזערית אלא שהיא מצטברת, ומכיוון שהאפקטים שאנו מודדים הם כל כך קטנים, די בתנועה זו כדי להעלימם כליל. יתרה מזאת, הארתו של הכוכב איננה איזוטרופית ואיננה אחידה בזמן ובשל כך קשה למקמו בנקודה אחת. לכן, לכשהתקבלו הנתונים, היה על הצוות לתקן את מיקומו הממוצע של הכוכב באמצעות השוואה לקווזרים רחוקים נבחרים (אלו הנראים בגיזרתו הקרובה), ועל כך היה עליהם להוסיף עוד תיקונים הנובעים משינוי מיקום הלווין בכל רגע ורגע, מהשפעת כוחות הכבידה של גרמי שמיים אחרים דוגמת הירח, מסיבוב כדה"א סביב השמש, מתנועת מערכת השמש סביב מרכז הגלקסיה, מחשיפה לא הומוגנית לרוח השמש ועוד מגוון רחב של גורמים שיש לקחתם בחשבון, אחרת חבל על כספי משלם המיסים...

ה-probe. המערכת הדוגמת בעת הרכבתה.

חלק מהמערכת (הקריוסטאט?)

עוד...

תנועת ציר הסיבוב של הגירוסקופים ביחס לישר המחבר את הלווין עם הכוכב IM Pegasi מנוטרת באמצעות מגנטומטר רגיש המכונה SQUID (Superconducting QUantum Interference Device). החיישן של המגנטומטר הוא לולאה המצוייה בפאזה של על-הולכה, הכרוכה סביב גוף הגירוסקופ. עם שינוי האוריאנטציה של הדיפול המגנטי של הגירוסקופ משתנה גם השטף המגנטי העובר דרך הלולאה, נוצר כא"מ וזרם (מקוונטט!) מסתובב בלולאה. זיכרו שמרגע שנוצר זרם בלולאה הוא איננו חדל מזרום (מפאת הפאזה של מוליכות העל) ולכן כל שינוי קטן בשטף מטביע חותמו על עצמת הזרם המצטברת. מגנטומטר זה רגיש דיו לדגום שינויים מזעריים של 5e-14 גאוס בעוצמת השדה (כעשר מיליארדיות מעוצמת השדה המגנטי של כדה"א), המתאימים לסטייה של ציר הגירוסקופ בזווית של עשירית-מילי-שניית-קשת... 

הרכבת ה-SQUID

הפיזיקה והאלקטרוניקה של ה-SQUID

לווין הניסוי שוגר למסלול ב-20 באפריל 2004. כיול המערכות ערך זמן רב למדי; איסוף הנתונים החל ב-28 באוגוסט אותה שנה והסתיים ב-14 באוגוסט 2005. על פי תורת היחסות הכללית, במהלך זמן זה צפויה היתה זווית ציר הסיבוב של ארבעת הגירוסקופים להשתנות ב- 6.6 שניות קשת בדיוק (קצת פחות משתי אלפיות המעלה) כתוצאה מעקמומיות המרחב-זמן, וב- 0.041 שניות קשת בדיוק (כאחד חלקי מאה אלף המעלה) כתוצאה מאפקט גרירת המסגרת. שגיאות המדידה בניסוי הזה צפויות להיות כמאית האחוז עבור אפקט עקמומיות המרחב, וכאחוז אחד עבור אפקט גרירת המסגרת. אבל תכניות לחוד ומציאות לחוד. האנליזה של הנתונים ארכה כמה שנים טובות והפיקה... על כך בפרק הבא.


הסירטונים הבאים שהוכנו ע"י צוות הניסוי מומלצים לצפייה:

לחלק הרביעי                          לחלק השני