伽利略卫星数据检验引力时间膨胀效应精度创纪录

欧洲伽利略（Galileo）卫星导航系统因发射初期部分卫星未能进入预定轨道，反而为基础物理学研究提供了独特契机。科学家通过分析这些处于非理想椭圆轨道上卫星所搭载的原子钟数据，对爱因斯坦广义相对论中的引力时间膨胀效应进行了迄今为止最精确的测量。

引力时间膨胀，即引力红移，描述了引力场强度变化如何影响时间的流逝速率，是时空结构弯曲的直接体现。这项关键的等效原理检验，其精度相较于美国国家航空航天局（NASA）与史密森尼天体物理观测台于1976年合作进行的“重力探针A”（Gravity Probe-A）实验，实现了约五倍的提升。重力探针A实验当时使用了高精度氢原子迈射（PHM）钟，在亚轨道飞行中验证了引力红移效应，其不确定度约为1.4 × 10⁻⁴。伽利略卫星的实验则得益于其搭载的PHM原子钟的卓越稳定性，以及其轨道每日高达8500公里的高度变化，从而能够精细捕捉引力对原子钟频率的微小调制。

这项研究的突破性成果最初发布于2018年末，主要基于伽利略卫星5号和“功能模型卫星6号”（FM06）的数据分析。这两颗卫星在2014年8月22日的发射中未能达到预定轨道，被置于一个高度拉伸的椭圆轨道上。尽管这使得它们不适于常规导航资产，但其每日两次的剧烈轨道高度变化，为测量引力场梯度提供了理想的动态环境。欧洲航天局（ESA）的工程师在修正轨道后，仍保留了这两颗卫星的科学价值。

此项研究的意义在于直接触及现代物理学的基石。广义相对论自1915年发表以来，已通过水星近日点进动、光线偏折等经典实验得到验证，而现代实验如脉冲双星观测和MICROSCOPE卫星任务不断提高检验精度。MICROSCOPE卫星任务通过比较不同测试质量的自由落体加速度，将弱等效原理的验证精度提高到了约10⁻¹⁵的水平。伽利略的实验则提供了对引力时间延迟效应的独特、直接的原子钟频率测量，与MICROSCOPE任务形成了对等效原理检验的互补。

展望未来，伽利略系统的持续发展将巩固欧洲独立于美国GPS系统的导航能力，并延续这一基础物理学研究平台。欧盟计划部署的伽利略第二代（G2G）卫星，预计首批将于2027年发射，将集成电推进技术和星间链路，进一步提升定位和授时精度。截至2026年2月1日，伽利略星座已发射34颗卫星，其中26颗保持运行状态。这些高精度的授时服务，例如伽利略卫星实时钟差精度优于0.2 ns的均方根值（RMS），是支持铁路、航空和精准农业等关键基础设施运行的必要条件。