Vệ tinh Galileo cung cấp phép đo chính xác nhất về sự giãn nở thời gian do hấp dẫn

Hệ thống định vị vệ tinh Galileo của Châu Âu đã cung cấp một phép đo chưa từng có về sự giãn nở thời gian do trường hấp dẫn, một tiên đoán cốt lõi của Thuyết Tương đối Rộng của Albert Einstein. Hiện tượng vật lý này, còn được gọi là dịch chuyển đỏ hấp dẫn, mô tả sự thay đổi tốc độ trôi của thời gian dưới tác động của các trường hấp dẫn khác nhau. Việc phân tích các đồng hồ nguyên tử cực kỳ ổn định trên các vệ tinh Galileo, vốn bị đặt vào quỹ đạo hình elip do sự cố phóng ban đầu, đã cho phép các nhà khoa học đạt được bước đột phá này.

Những kết quả tiên phong này, được công bố vào cuối năm 2018, chủ yếu dựa trên dữ liệu thu thập từ các vệ tinh Galileo 5 và FM06. Thử nghiệm mang tính bước ngoặt này đã cải thiện độ chính xác của phép đo lên khoảng năm lần so với tiêu chuẩn vàng trước đó, là thí nghiệm Gravity Probe-A được thực hiện vào năm 1976. Để đạt được độ chính xác cao như vậy, các vệ tinh đã sử dụng đồng hồ Hydrogen Maser Thụ động (PHM), một thiết bị đo tần số có độ chính xác cao, vốn được ghi nhận là yếu tố thiết yếu cho độ chính xác có thể đạt được của các phép thử này.

Thí nghiệm Gravity Probe-A trước đây, được thực hiện chung bởi Đài quan sát Vật lý Thiên văn Smithsonian và NASA, đã xác nhận dự đoán dịch chuyển đỏ của Einstein với độ chính xác khoảng 70 phần triệu sau khi phóng một đồng hồ nguyên tử lên độ cao khoảng 10.000 km. Sự cải thiện độ chính xác gấp năm lần so với mốc năm 1976 nhấn mạnh bước nhảy vọt về công nghệ mà công nghệ vệ tinh hiện đại đã đạt được, tận dụng các đồng hồ PHM có độ ổn định cao, có thể chỉ sai lệch một giây sau ba triệu năm.

Nguyên lý tương đương, nền tảng của thuyết tương đối rộng, cũng đã được kiểm chứng bởi các sứ mệnh khác, nổi bật là vệ tinh MICROSCOPE của Pháp. Sứ mệnh MICROSCOPE đã xác nhận nguyên lý này với độ chính xác là hai phần nghìn tỷ bằng cách so sánh tốc độ rơi của hai khối lượng thử nghiệm khác nhau trong trạng thái rơi tự do liên tục. Tuy nhiên, dữ liệu từ Galileo cung cấp một phép đo trực tiếp và độc đáo về sự dịch chuyển đỏ tần số đồng hồ nguyên tử, khác biệt với việc kiểm tra tỷ lệ rơi tương đối của MICROSCOPE.

Việc tận dụng hệ thống Galileo, ban đầu bị ảnh hưởng bởi sự cố phóng khiến các vệ tinh rơi vào quỹ đạo lệch tâm, đã mang lại một khám phá khoa học lớn một cách tình cờ. Tính đến ngày 1 tháng 2 năm 2026, tổng cộng 30 vệ tinh Galileo đã được phóng, với 26 vệ tinh đang hoạt động. Sự phát triển liên tục hướng tới việc triển khai các vệ tinh Galileo Thế hệ Thứ hai (G2G), dự kiến bắt đầu vào năm 2027, sẽ được trang bị hệ thống đẩy điện và liên kết giữa các vệ tinh, nhằm củng cố độ chính xác cho các dịch vụ định vị và thời gian toàn cầu, vốn thiết yếu cho nhiều ngành công nghiệp.

Hệ thống Galileo, được Liên minh Châu Âu xây dựng và quản lý bởi các tổ chức dân sự, đặt mục tiêu cung cấp dịch vụ độc lập với các hệ thống như GPS của Hoa Kỳ và GLONASS của Nga, với độ chính xác dịch vụ mở trung bình khoảng 1-3 mét. Sự so sánh với các nhiệm vụ khác càng làm nổi bật vai trò của các phép đo thời gian chính xác trong việc kiểm tra các lý thuyết cơ bản về vũ trụ.