중력 탐사선 B (시공간 비틀림을 잰 위성)

Gravity Probe B

탁구공만 한 팽이 네 개로 지구 둘레 시공간의 휨과 끌림을 어떻게 쟀을까요?

무슨 일이 일어났나

중력 탐사선 B 는 스탠퍼드 대학과 NASA 가 함께 한 임무로, 2004 년 4 월 20 일 발사돼 높이 약 640 km 극궤도를 돌았습니다.

안에는 거의 완전한 공 모양 자이로스코프 4 개가 있었고, 하나하나는 탁구공만 한 용융 실리카 공으로 모양과 고르기를 100 만분의 1 보다 정밀하게 깎았습니다(APS).

휜 시공간은 팽이 축에 돌림힘을 줘 축이 궤도 면 안에서 조금씩 돌고(측지 효과), 도는 지구가 끄는 시공간은 축을 옆으로 조금 돌립니다(끌림 효과).

2004 년 8 월 28 일 ~ 2005 년 8 월 14 일 모은 자료로 측지 효과 −6 601.8 ± 18.3, 끌림 효과 −37.2 ± 7.2 밀리각초/년을 얻었고, 최종 결과는 2011 년 5 월 31 일 Physical Review Letters 에 실렸습니다(NASA).

시뮬레이터(둥근 극궤도 · 고른 공 지구)는 640 km 에서 측지 약 6 630, 끌림 41.0 밀리각초/년을 주고, 위성은 한 바퀴에 5.85×10³ s 쯤 걸려 1 년에 약 5.39×10³ 바퀴 돕니다.

📸 진짜 모습

미국 반덴버그 공군 기지에서 중력 탐사선 B 를 실은 델타 II 로켓이 떠오르는 순간을 원격 광각 카메라로 찍었습니다.불러오는 중…📸 사진

미국 반덴버그 공군 기지에서 중력 탐사선 B 를 실은 델타 II 로켓이 떠오르는 순간을 원격 광각 카메라로 찍었습니다.

출처: NASA/KSC · 퍼블릭 도메인 · NASA 그림 창고 원본 ↗

💡 생활 속 예시

  • 장난감 팽이가 빨리 돌 때 축이 꼿꼿이 서 있는 것처럼, 잘 도는 팽이 축은 방향을 지키려 합니다 — 중력 탐사선 B 는 이 성질로 시공간의 아주 작은 휨을 읽었습니다.
  • 폰 화면이 저절로 돌아가게 하는 작은 자이로 센서도 «얼마나 돌았나» 를 재는 장치입니다 — 쓰임은 다르지만 «돌기를 잰다» 는 생각은 같습니다.

어떤 부품이 무엇을 하나

  • 자이로스코프 4 개 — 탁구공만 한 용융 실리카 공. 거의 완전한 공이라, 시공간 말고는 축 방향을 바꿀 것이 거의 없게 만들었습니다.
  • 극궤도 위성 — 높이 약 640 km 에서 남극 · 북극 위를 지나며 돌아, 측지 효과와 끌림 효과가 서로 다른 방향으로 나타나게 합니다.
  • 기준 망원경 — 먼 기준 별을 겨눠, 팽이 축이 그 별에 견줘 얼마나 돌았는지 잽니다.
  1. 팽이 네 개를 빠르게 돌려 축 방향을 기준 별 쪽에 맞춥니다.
  2. 위성이 1 년 가까이 극궤도를 도는 동안 축 방향을 계속 잽니다.
  3. 축이 궤도 면 안에서 돈 몫(측지)과 그에 직각으로 돈 몫(끌림)을 나눠 셉니다.
  4. 잰 값을 일반 상대성 이론의 예측(−6 606.1 · −39.2 밀리각초/년)과 견줍니다.

확인된 값

중력 탐사선 B 발사 — 2004 년 4 월 20 일
2004 출처
스탠퍼드 대학과 NASA 가 함께 한 임무
Stanford · NASA 출처
거의 완전한 공 모양의 자이로스코프 4 개
4 개 출처
극궤도 고도 — 약 640 km (NASA 쪽은 400 마일 ≈ 644 km)
640000 m 출처
자이로스코프 하나 — 탁구공만 한 용융 실리카 공
fused silica rotor 출처
공 모양 · 고르기를 100 만분의 1 보다 정밀하게 깎음
0.000001 출처
자료를 모은 때 — 2004 년 8 월 28 일 ~ 2005 년 8 월 14 일
2005 출처
중력 탐사선 B 가 잰 측지 효과 (지구가 휘게 한 시공간 — 해마다 −6,601.8 ± 18.3 밀리각초)
-6601.8 mas/yr 출처
중력 탐사선 B 가 잰 끌려 돎 효과 (해마다 −37.2 ± 7.2 밀리각초, 예측 −39.2)
-37.2 mas/yr 출처
최종 결과를 Physical Review Letters 에 낸 날 — 2011 년 5 월 31 일
2011 출처
1960 년대 스탠퍼드의 레너드 시프가 자이로스코프로 재자고 내놓음
1960s 출처
휘어진 시공간이 팽이(자이로스코프)에 돌림힘을 준다 (중력 탐사선 B)
torque 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 역학과 에너지 · 시공간과 운동

출처

이어서 보기

같은 단원 · 일반 상대성 이론과 중력파

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