Galileo-satellieten leveren meest nauwkeurige test van Einsteins tijddilatatie

Het Europese Galileo-satellietnavigatiesysteem heeft een fundamentele bijdrage geleverd aan de natuurkunde door de meest nauwkeurige meting ooit te realiseren van de invloed van zwaartekracht op tijd. Dit fenomeen, bekend als gravitationele tijddilatatie, is een cruciaal element van Albert Einsteins Algemene Relativiteitstheorie uit 1915. De precisie van deze nieuwe meting overtreft de vorige gouden standaard, het Gravity Probe-A-experiment uit 1976, met een factor van ongeveer vijf.

De metingen werden uitgevoerd door de analyse van de uitzonderlijk stabiele atoomklokken aan boord van de Galileo-satellieten Galileo 5 en FM06. Deze wetenschappelijke doorbraak was een onverwacht gevolg van een lanceerfout, waardoor de genoemde satellieten in sterk excentrieke banen om de aarde terechtkwamen. Deze onregelmatige omloopbanen, die een dagelijks hoogteverschil van 8500 km tussen het laagste en hoogste punt inhielden, bleken ideaal voor het testen van de theorie dat massa tijd vertraagt naarmate een klok dichter bij een massief object komt. De analyse van de data, verzameld over meer dan duizend dagen, werd onafhankelijk door twee teams van natuurkundigen uitgevoerd en de resultaten werden eind 2018 gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters. De kern van de experimentele opstelling vormden de Passieve Waterstofmaser (PHM) klokken aan boord van de satellieten.

De Algemene Relativiteitstheorie voorspelt dat de frequentie van deze atoomklokken varieert afhankelijk van hun positie in het gravitationele veld, wat resulteert in een meetbare tijddilatatie tussen het apogeum en perigeum van de baan. Hoewel de MICROSCOPE-missie het equivalentieprincipe bevestigde door de val van verschillende testmassa's te vergelijken, bood de Galileo-data een unieke, directe verificatie van de gravitationele roodverschuiving op de frequentie van atoomklokken. Dit benadrukt de dubbele waarde van ruimtevaartinfrastructuur voor zowel praktische navigatie als fundamenteel onderzoek.

De relevantie van deze bevindingen voor de fundamentele fysica blijft actueel nu het Galileo-systeem evolueert naar de volgende fase. De Europese Unie, die de algehele verantwoordelijkheid voor het Galileo-programma draagt, versterkt de constellatie voortdurend. Per 1 februari 2026 zijn er 34 Galileo-satellieten gelanceerd, waarvan er 26 operationeel zijn. De ontwikkeling van de Galileo Second Generation (G2G) satellieten is in volle gang, met de eerste lancering gepland voor 2026 met een Ariane-6 raket.

De G2G-satellieten, waarvan de contracten voor twaalf eenheden in mei 2021 werden gegund aan Thales Alenia Space en Airbus Defence & Space voor €1,47 miljard, zullen cruciale technologische upgrades bevatten. Deze omvatten elektrische voortstuwing, inter-satellietverbindingen en volledig digitale navigatie-payloads. De inter-satellietverbindingen verminderen de afhankelijkheid van grondinstallaties, terwijl de elektrische voortstuwing het mogelijk maakt om twee satellieten tegelijkertijd te lanceren ondanks hun toegenomen massa. De voortdurende modernisering, die voortbouwt op de oorspronkelijke ontwikkeling van Galileo in de jaren negentig bij ESTEC in Nederland, verzekert de Europese strategische autonomie en de levering van diensten die cruciaal zijn voor sectoren als de spoorwegen, luchtvaart en landbouw. De G2G-vloot zal de huidige constellatie aanvullen, die al meer dan vier miljard ontvangers wereldwijd bedient.