System Galileo: Najdokładniejszy Test Dylatacji Czasu Grawitacyjnego Według Teorii Einsteina

Europejski system nawigacji satelitarnej Galileo umożliwił przeprowadzenie najdokładniejszego pomiaru wpływu zmian pola grawitacyjnego na upływ czasu, weryfikując zjawisko dylatacji czasu grawitacyjnego z niespotykaną dotąd precyzją. Pomiar ten stanowi istotny test Ogólnej Teorii Względności Alberta Einsteina. Wyniki tych analiz, opublikowane pod koniec 2018 roku, opierały się na danych pochodzących z satelitów Galileo 5 i FM06.

Kluczowy test zasady równoważności osiągnięto dzięki analizie niezwykle stabilnych zegarów atomowych umieszczonych na pokładach tych satelitów. Pierwotnie, w wyniku niepowodzenia podczas startu w 2014 roku, satelity te zostały umieszczone na orbitach ekscentrycznych. Te eliptyczne orbity, z regularnymi zmianami wysokości dochodzącymi do około 8500 km dwa razy dziennie, stworzyły unikalne warunki do badań, pozwalając na dwukrotne w ciągu doby badanie zmiennych poziomów grawitacji. Wykorzystanie zegarów typu Passive Hydrogen Maser (PHM) było kluczowe dla osiągnięcia wysokiej rozdzielczości pomiarowej.

Eksperyment ten przyniósł poprawę dokładności pomiaru około pięciokrotnie w porównaniu do poprzedniego standardu, jakim był eksperyment Gravity Probe-A przeprowadzony w 1976 roku. Misja Gravity Probe-A, prowadzona przez Smithsonian Astrophysical Observatory i NASA, testowała zasadę równoważności z dokładnością do 200 części na milion. W przeciwieństwie do GP-A, który miał trajektorię suborbitalną trwającą niespełna dwie godziny, dane z Galileo dostarczyły ciągłego pomiaru dylatacji czasu na orbicie.

Najnowsze badania, bazujące na obserwacjach GPS, GLONASS i Galileo, potwierdziły nie tylko dylatację czasu, ale także deformację geometrii czasoprzestrzeni, co wcześniej nie było możliwe do bezpośredniego zmierzenia na orbitach. Znaczenie tego wkładu w fizykę podstawową utrzymuje się, ponieważ system Galileo jest stale rozwijany w kierunku wdrożenia satelitów drugiej generacji (Galileo Second Generation, G2G). Według stanu na 1 lutego 2026 roku, wystrzelono łącznie 34 satelity Galileo, z czego 26 pozostaje operacyjnych. Satelity G2G, których pierwszy start planowany jest na 2027 rok, zostaną wyposażone w napęd elektryczny oraz łącza między satelitami. Kontrakty na budowę dwunastu satelitów G2 zostały przyznane firmom Thales i Airbus Defence & Space.

Zasada równoważności, weryfikowana również przez satelitę MICROSCOPE z dokładnością do dwóch bilionowych części procenta, głosi, że wszystkie obiekty spadają z tym samym przyspieszeniem niezależnie od masy czy składu. Dane z Galileo zaoferowały jednak unikalny, bezpośredni pomiar wpływu grawitacji na częstotliwość zegara atomowego, wykorzystując do tego celu przypadkowo eliptyczne orbity. Wykorzystanie infrastruktury pierwotnie przeznaczonej do nawigacji do tak fundamentalnych badań podkreśla podwójną wartość nowoczesnych projektów kosmicznych dla postępu naukowego i technologicznego.

Kontynuacja prac nad generacją G2, której testy kompatybilności z segmentem naziemnym rozpoczęły się we wrześniu 2024 roku, gwarantuje podtrzymanie zdolności naukowych systemu. Te przyszłe satelity mają zapewnić precyzję pozycjonowania na poziomie decymetrów, kluczową dla sektorów takich jak kolejnictwo, lotnictwo i rolnictwo. Awaria startu z 2014 roku, choć niefortunna, dostarczyła wyników naukowych stanowiących dowód na sprawność inżynierii kosmicznej i jej zdolność do dostarczania przełomów w badaniach nad naturą czasoprzestrzeni.