ガリレオ衛星、アインシュタインの重力時間遅延を極めて高精度に検証

欧州のガリレオ衛星航法システムが、アインシュタインの一般相対性理論の検証において歴史的な成果を達成した。重力場の変動が時間の経過に与える影響、すなわち重力赤方偏移または重力時間遅延として知られる現象について、これまでで最も精度の高い測定を実現したと報告されている。この実験は、特定のガリレオ衛星に搭載された極めて安定性の高い原子時計のデータを分析することで実現された。この成果は基礎物理学への重要な貢献であり、2026年現在もその意義は失われていない。

この重要な検証は、衛星が本来の設計とは異なる楕円軌道に配置されたことによって、予期せぬ形で可能となった。この軌道変更は、以前の打ち上げ時の問題に起因するものであった。この測定に関する画期的な初期結果は、ガリレオ衛星5号機とFM06号機のデータを利用し、2018年後半頃に公表された。この事実は、宇宙インフラが実用的な測位・計時サービスだけでなく、基礎物理学の研究にも二重の有用性を持つことを示している。

この実験が達成した測定精度は、1976年のゴールドスタンダードであったグラビティ・プローブA（GP-A）実験と比較して、約5倍の精度向上を記録した。この高精度を達成するために不可欠だったのは、衛星に搭載されていたパッシブ水素メーザー（PHM）時計である。GP-A実験は1976年に実施され、高度約10,000kmまで上昇した時計の時間の進み方の変化を測定し、相対性理論の予測を200ppmの精度で検証した。ガリレオによる測定は、この過去のベンチマークを大きく上回るものである。

一般相対性理論の等価原理は、他のミッション、例えばMICROSCOPE衛星によっても検証されている。MICROSCOPE衛星は、異なる試験質量の落下率を比較することで、この原理を2兆分の1の精度で裏付けた。しかし、ガリレオのデータは、等価原理の検証において、落下率の比較とは異なり、原子時計の周波数に対する重力赤方偏移の直接的な測定という独自の検証を提供した。

ガリレオシステムは現在も継続的に改良が進められており、ガリレオ第二世代（G2G）衛星の展開に向けて移行中である。2026年2月1日時点で、合計34機のガリレオ衛星が打ち上げられ、そのうち26機が現在運用中である。G2G衛星の最初の打ち上げは2027年が予定されており、電気推進や衛星間リンクといった新技術が導入される見込みである。これらの継続的な開発は、地球規模の測位および計時サービスの精度を確固たるものにする。

ガリレオの初期の打ち上げ異常による予期せぬ軌道配置は、結果として基礎物理学における主要なブレークスルーをもたらした。これは、現代の衛星技術が達成した技術的飛躍を、1976年のGP-A実験との比較における5倍の精度向上という形で明確に示している。この継続的なG2Gへの開発は、将来的にこの科学的検証能力が維持され、さらに向上する可能性を保証している。