Divulgación MICROSCOPE: El satélite para comprobar con gran precisión el Principio de Equivalencia

[Alriga]

Las mejores medidas realizadas hasta ahora del cumplimiento de la igualdad entre masa inercial y masa pesante, (Principio de Equivalencia de la Relatividad General), tienen una precisión que indica que la diferencia es menor de una parte en $10^{13}$

El lunes se lanzó el satélite Microscope, (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence) con el objetivo de mejorar la precisión hasta $10^{-15}$

En el espacio, es posible estudiar el movimiento relativo de dos cuerpos mediante la realización de una caída libre lo más perfecta posible, sin perturbaciones debidas a la Tierra (principalmente sísmicas), aprovechándose del movimiento de caída libre permanente de un satélite en órbita se pueden realizar medidas durante varios meses seguidos.

Para ello, dos cuerpos cilíndricos concéntricos de diferentes materiales - uno de titanio y otro con una aleación de rodio platino - serán cuidadosamente controlados para conseguir que permanezcan estacionarios con relación al satélite mediante un doble acelerómetro electrostático diferencial. Si el principio de equivalencia se cumple, las dos masas necesitarán la misma aceleración de control. Si es necesario aplicar aceleraciones diferentes, se pondrá de relieve una violación del principio de equivalencia, lo que constituiría un acontecimiento mayor en los fundamentos de la Física.

La vida operativa del satélite será de 18 meses. Leído aquí: Microscope

Saludos.

[Alriga]

Re: MICROSCOPE: El satélite para comprobar con gran precisión el Principio de Equivalencia

BUENAS NOTICIAS DE MICROSCOPE, (Primicia: publicado a última hora de ayer en francés, aún no ha aparecido la noticia en ningún medio en castellano)

MICROSCOPE (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence): Primeras medidas de ultra-precisión

En órbita desde abril, MICROSCOPE continúa con sus pruebas de funcionamiento antes de pasar a modo misión a finales de año. Durante esta fase se están probando y afinando los instrumentos y el satélite completo, el rendimiento del instrumento se ha medido y se revelan dos hechos notables:

- Los acelerómetros diferenciales han observado claramente los efectos del gradiente de gravedad predicho entre las dos masas de prueba en función de su distancia. Este gradiente de gravedad corresponde a la diferencia entre la fuerza de atracción ejercida por la Tierra sobre la masa interna y la que se ejerce sobre la masa externa, ambas instaladas en el núcleo del instrumento T-SAGE. ¡Durante las pruebas, los acelerómetros pudieron observar un desplazamiento entre las dos masas de 25 µm, para una y 33 µm para la otra, la mitad del espesor de un cabello humano!

- Otra demostración de la ultra-precisión de los instrumentos, el satélite ha medido y compensado no sólo la fuerza que ejerce la atracción de la Tierra, sino también la presión de la radiación de la luz solar. En efecto, el 1 de septiembre la Luna eclipsó el 15% de la superficie del Sol y MICROSCOPE lo constató 4 veces en su rotación alrededor de la Tierra. Estos eclipses parciales, que producen una variación de fuerzas sobre el satélite equivalente al peso de un pequeño grano de arena, han sido detectados por MICROSCOPE. Esta observación demuestra la sensibilidad del instrumento y la gran precisión del sistema de compensación de arrastre.

El objetivo de MICROSCOPE es poner a prueba en el espacio la validez del principio fundamental de la Relatividad General, la equivalencia entre gravedad y aceleración, principio enunciado por Albert Einstein entre 1907 y 1915. El reto es lograr una precisión 100 veces mejor que todos los experimentos realizados hasta ahora en la Tierra, lo que abriría nuevos horizontes a las teorías gravitacionales. Éste es pues un laboratorio casi perfecto para medidas en caída libre, desde su órbita a 710 km de la Tierra.

Fuente: http://www.onera.fr/sites/default/fi...roscope-VF.pdf

Saludos.

[Alriga]

Re: MICROSCOPE: El satélite para comprobar con gran precisión el Principio de Equivalencia

Primeros resultados científicos de MICROSCOPE: con menos del 10% de los datos analizados confirma que el Principio de Equivalencia de la Relatividad General se cumple con una precisión de $\boldsymbol{10^{-14}}$ que es 10 veces más preciso que la mejor medida que se tenía hasta ahora.

" ... Desde tierra, las pruebas ya realizadas incluían 2 métodos muy diferentes. Primero, el péndulo de torsión, lo que ha permitido obtener una precisión de $10^{-12}$. Y desde los años 70, los cinco paneles reflectores depositados en la Luna por los astronautas de las misiones Apolo y las misiones robóticas rusas Lunokhod 1 y 2 han permitido disparar haces láser para medir permanentemente la distancia Tierra-Luna y por lo tanto la caída libre de nuestro satélite natural alrededor de la Tierra con una precisión de $10^{-13}$.

Los primeros resultados del Microscope permiten deducir la ausencia de una violación estadísticamente significativa en relación con los errores residuales del dispositivo experimental: a $2 \cdot 10^{-14}$, no se detecta ninguna violación de la teoría de la Relatividad General. Estos resultados se basan en 120 órbitas de las 1900 completadas y la recolección de datos continuará hasta marzo de 2018. Esto aumentará el rendimiento de la misión y se acercará a los $10^{-15}$ de precisión para los resultados finales de la misión ...

... Si al final de la misión, los resultados siguen siendo los esperados por la teoría de la relatividad general, si Microscope no detecta una violación, este resultado traerá consigo restricciones adicionales a algunas teorías alternativas que predicen una violación y, por lo tanto, harán avanzar la Ciencia. Y más allá de eso, es probable que se estudien las ideas de esta experiencia para planear futuras misiones, para ir aún más lejos en la precisión ..."

Este es el enlace al documento científico, The MICROSCOPE mission: first results of a space test of the Equivalence Principle

La Mula Francis ha publicado también un post sobre el tema: MICROSCOPE logra la medida más precisa del principio de equivalencia débil

Saludos.

[Alriga]

EL INNOVADOR FINAL DE MICROSCOPE, el satélite para comprobar con gran precisión el Principio de Equivalencia

EL INNOVADOR FINAL DE MICROSCOPE.

Según informa el Centre National d'Études Spatiales (CNES), al final de su misión, el satélite francés Microscope desplegará para su última maniobra un nuevo sistema de desorbitación. El primero de su tipo para evitar escombros en órbita.

Dos años y medio después de su lanzamiento en órbita baja polar en abril de 2016, el satélite Microscope está viviendo sus últimas horas. Diseñado para probar el principio de equivalencia con una precisión sin precedentes gracias a dos masas en caída libre, este satélite de CNES completó con éxito la recopilación de datos científicos en febrero de 2018. Desde un punto de vista científico, los equipos dedicados tienen hasta finales de 2019 para publicar sus resultados en base a todos los datos adquiridos. Ya sea que confirmen el principio de equivalencia o detecten una violación de este mismo principio, los resultados finales harán avanzar a los científicos en esta búsqueda.

Pero el satélite ha llegado al final de su vida útil. Está en muy buenas condiciones, pero ya no tiene gas frío para sus micro-hélices, que se utilizan para compensar la resistencia y mantener las masas en caída libre controlada. Ya no es posible adquirir nuevas medidas científicas, por lo que es hora de lidiar con la pasivación.

El satélite Microscope no tiene propulsores químicos capaces de proporcionar suficiente energía para desorbitarlo. Después de la secuencia de pasivación, que consiste en hacerlo lo más inactivo posible (no debe quedar ninguna fuente de energía neumática, química o eléctrica), Microscope será considerado como un residuo en órbita, alrededor de la Tierra a 710 km de altitud. Sin embargo, se trata de un pequeño satélite de sólo 330 kg, con poca superficie y, por lo tanto, poca interacción con las pocas partículas atmosféricas capaces de ralentizarlo a esta altitud: se necesitarían 73 años para que finalmente se quemara en la atmósfera de la Tierra.

Por eso, MICROSCOPE está equipado con IDEAS (Innovative DEorbiting Aerobrake System), que consiste en dos mástiles inflables de 4,5 m, cada uno de ellos con un "ala" flexible. La superficie de Microscope aumentará en 9 m², lo que generará mucha más fricción con las partículas atmosféricas y el frenado cambiará la órbita paulatinamente con el tiempo. En general, gracias a este sistema, se espera que el satélite se queme en la atmósfera después de unos 27 años. La pasivación se inició ayer 15 de octubre y la secuencia finalizará hoy 16 de octubre.

El sistema IDEAS se monitoreará desde el suelo con la ayuda de un potente radar terrestre, el primer paso será determinar si los dos mástiles se han extendido correctamente: plegado, el sistema mide solo 25 cm de largo, y sus alas están plegadas como un origami. La respuesta definitiva la tenderemos un mes después, cuando detectaremos si el satélite en realidad se está frenando por el sistema IDEAS.

Saludos.

[Alriga]

... dos cuerpos cilíndricos concéntricos de diferentes materiales - uno de titanio y otro con una aleación de rodio platino - serán cuidadosamente controlados para conseguir que permanezcan estacionarios con relación al satélite mediante un doble acelerómetro electrostático diferencial. Si el principio de equivalencia se cumple, las dos masas necesitarán la misma aceleración de control. Si es necesario aplicar aceleraciones diferentes, se pondrá de relieve una violación del principio de equivalencia, lo que constituiría un acontecimiento mayor en los fundamentos de la Física ...

En diciembre de 2017 se publicaron los primeros resultados preliminares del experimento MICROSCOPE, (ver el post #3 de este mismo hilo) Ahora la Misión MICROSCOPE ha publicado en arxiv los segundos resultados preliminares publicados en octubre en la revista "Classical and Quantum Gravity":

(En arxiv Space test of the Equivalence Principle: first results of the MICROSCOPE mission). Dice el abstract:

El Principio de Equivalencia Débil (WEP), que establece que dos cuerpos de diferentes composiciones y/o masa caen a la misma velocidad en un campo gravitacional (universalidad de la caída libre), es la base de la Relatividad General. La misión MICROSCOPE tiene como objetivo probar su validez con una precisión de $10^{-15}$, dos órdenes de magnitud mejor que las pruebas en tierra actuales, mediante el uso de dos masas de diferentes composiciones (aleaciones de titanio y platino) en una trayectoria cuasicircular alrededor de la Tierra. Esto se realiza midiendo las aceleraciones inferidas de las fuerzas requeridas para mantener las dos masas exactamente en la misma órbita. Cualquier diferencia significativa entre las aceleraciones medidas, que se produce a una frecuencia definida, correspondería a la detección de una violación de la WEP, o al descubrimiento de un nuevo tipo de fuerza minúscula añadida a la gravedad.

Los primeros resultados de MICROSCOPE no muestran indicios de tal diferencia, expresada en términos del parámetro de Eötvös $\delta (Ti, \ Pt)=[-1\pm 9 (stat) \pm 9(syst)] \cdot 10^{-15}$ (ambos a 1σ de incertidumbre) para el par de materiales de titanio y de platino. Este resultado se obtuvo de un conjunto de 120 revoluciones orbitales que representan todavía solamente el 7% de los datos disponibles actuales adquiridos durante toda la misión. La combinación cuadrática de las incertidumbres de 1σ conducen a un límite actual en δ de aproximadamente $1.3\cdot 10^{-14}$

El Principio de Equivalencia sigue fuerte por ahora. Saludos.

[Alriga]

... Diseñado para probar el principio de equivalencia con una precisión sin precedentes gracias a dos masas en caída libre, este satélite de CNES completó con éxito la recopilación de datos científicos en febrero de 2018. Desde un punto de vista científico, los equipos dedicados tienen hasta finales de 2019 para publicar sus resultados en base a todos los datos adquiridos. Ya sea que confirmen el principio de equivalencia o detecten una violación de este mismo principio, los resultados finales harán avanzar a los científicos en esta búsqueda....

Con más de un año de retraso, (imagino que COVID-19 habrá tenido mucho que ver), el equipo de MICROSCOPE "da señales de vida" Ha publicado en arxiv los preprint de 3 artículos en los que se detallan la metodología científica del proyecto, la toma de datos y los métodos de análisis estadístico de los mismos, son:

• MICROSCOPE mission analysis, requirements and expected performance
• MICROSCOPE mission: Data analysis principle
• MICROSCOPE mission: Statistics and impact of glitches on the test of the weak equivalence principle

Entiendo que queda pendiente la publicación de los resultados finales del experimento, permaneceremos atentos.

Saludos.

[carroza]

Hola.

Una nota, para poner en contexto la importancia de este tipo de experimentos.

A priori, no deberíamos excluir la posibilidad de otras interacciones de largo alcance, diferentes a la electromagnética (que de pende de la carga eléctrica), y la gravitatoria (que depende de la masa).

Hay una cantidad conservada, el número bariónico, que podría tener asociada una interacción, lo mismo que la tiene la carga eléctrica. Para la materia normal, es decir, lo que está hecho de átomos, la masa de un objeto es aproximadamente proporcional a su numero bariónico (es decir, al numero de protones y neutrones), pero esto no es exactamente así. Por ejemplo, en el Titanio, hay un barión (protón o neutron) por cada 930,484 MeV/c^2 de masa, mientras que para el platino hay un barión por cada 931,315 MeV/c^2. Esto es una diferencia de un 0,1%. Por tanto, si escondida dentro de la interacción gravitatoria (que depende de la masa), hubiera una pequeñisima interacción que dependiera del número bariónico, esta actuaría un poco más sobre un objeto hecho de titanio, que sobre un objeto hecho de platino.

Los resultados que presenta Alriga parecen indicar que, si existe una interacción de largo alcance que depende del numero bariónico, esta sería $1.3 \cdot 10^{-14} / 0.001 \simeq 10^{-11}$ veces más debil que la interacción gravitatoria.

Un saludo

[Alriga]

El experimento MICROSCOPE se diseñó para probar el principio de equivalencia débil en el espacio, comparando la dinámica de baja frecuencia de masas de prueba cilíndricas en "caída libre" controladas por fuerzas electrostáticas.

Utilizamos los datos tomados durante las sesiones técnicas destinadas a estimar la rigidez electrostática de los sensores de MICROSCOPE para restringir una desviación Yukawa de corto alcance de la gravedad newtoniana.

Aprovechamos el hecho de que, en el límite de pequeños desplazamientos, la interacción gravitatoria (tanto newtoniana como yukawa) entre cilindros anidados es lineal y por tanto, se caracteriza simplemente por una rigidez. Midiendo la rigidez total de las fuerzas que actúan sobre una masa de prueba a medida que se desplaza y comparándola con la rigidez electrostática teórica, (que se espera que domine), es posible a priori inferir restricciones sobre los parámetros del potencial de Yukawa.

Sin embargo, encontramos que las incertidumbres de las mediciones están dominadas por los hilos de oro utilizados para controlar la carga eléctrica de las masas de prueba, aunque su rigidez relacionada es efectivamente menor que la rigidez electrostática esperada. Además, encontramos una rigidez no contabilizada que depende de la configuración eléctrica del instrumento, lo que indica la presencia de efectos de campo de parche.

Sumado a las significativas incertidumbres en el modelo electrostático, sólo permiten limitaciones pobres en el potencial Yukawa. Esto no es sorprendente, ya que MICROSCOPE no fue diseñado para esta medición, pero este análisis es el primer paso para nuevas búsquedas experimentales de la gravedad no newtoniana en el espacio.

El pre-print de arxiv del artículo es "Restricción de MICROSCOPE sobre una quinta fuerza de corto alcance": MICROSCOPE's constraint on a short-range fifth force

Saludos.

[Alriga]

PHYSICAL REVIEW LETTERS publicó ayer Misión MICROSCOPE. Resultados finales del test del Principio de Equivalencia (En arxiv, publicado el 30/09/2022 es MICROSCOPE Mission: Final Results of the Test of the Equivalence Principle)

El comunicado de prensa relacionado con ello, publicado por el Centre National d'Etudes Spatiales (CENES) gestor de la misión, (Les résultats finaux de la mission MICROSCOPE atteignent une précision record) dice:

LOS RESULTADOS FINALES DE LA MISIÓN MICROSCOPE ALCANZAN UNA PRECISIÓN RÉCORD.

La misión MICROSCOPE entrega sus últimos resultados y confirma el principio de equivalencia con una precisión inigualable de $\boldsymbol{10^{-15}}$. Estos resultados demuestran que los cuerpos caen en el vacío con la misma aceleración sin importar su composición o su masa; el principio de equivalencia, por tanto, sigue siendo inquebrantable hasta el día de hoy, nada menos que una nueva victoria de la Relatividad General propuesta por Albert Einstein hace más de un siglo.

En 2017, los primeros resultados del satélite CNES MICROSCOPE, equipado con acelerómetros ONERA, mejoraron la precisión del ensayo del principio de equivalencia (o universalidad de caída libre) a un nivel que lo había situado como referente mundial. Gracias a los primeros datos disponibles, estos resultados fueron obtenidos por el laboratorio Géoazur (CNRS/OCA/UCA/IRD) y ONERA en cooperación con el CNES y en asociación con el grupo de trabajo científico (CNRS, IHES, Imperial College, Université of Bremen, DLR, Universidad de Delft, IGN). Cuatro miembros del equipo de MICROSCOPE ganaron el Premio Servant de la Academia de Ciencias en 2019. Desde 2017, se han acumulado 15 veces más mediciones hasta que el satélite fue desorbitado en octubre de 2018.

Sobre el principio de equivalencia

Según la teoría de Einstein, el universo está representado por un espacio-tiempo de cuatro dimensiones y la gravitación resulta de la curvatura del espacio-tiempo inducida por la materia. La Relatividad General había permitido así explicar la anomalía hasta entonces insoluble de la órbita de Mercurio, predecir fenómenos tan sorprendentes como lentes gravitacionales, agujeros negros u ondas gravitacionales. Sin embargo, queda una pregunta fundamental: ¿por qué la Relatividad General parece incompatible con la teoría cuántica de campos, que describe fielmente el mundo de las partículas y lo infinitamente pequeño? La búsqueda de una teoría universal que abarque la gravitación y la física cuántica es el santo grial de los físicos. La mayoría de las teorías candidatas predicen una violación del principio fundamental de la Relatividad General:

Poner a prueba el principio de equivalencia, equivale a poner a prueba el fundamento de todas las teorías de la gravitación y, más en general, de las teorías alternativas a la relatividad. A través de sus resultados, MICROSCOPE supera los límites al traer nuevas restricciones a estas nuevas teorías a un nivel de precisión tal, que seguramente será necesario esperar mucho tiempo para hacerlo mejor.

Un artículo de divulgación aparece en APS Physics: MICROSCOPE Mission Presents Most Precise Test of General Relativity’s Weak Equivalence Principle, del que destaco:

El trabajo del equipo de MICROSCOPE allana el camino para pruebas aún más precisas del Principio de Equivalencia Débil (WEP) con experimentos satelitales. Su análisis incluye formas de mejorar la configuración experimental, como reducir las grietas en el revestimiento de los satélites que afectaron las mediciones de aceleración y reemplazar los cables en la configuración por dispositivos sin contacto. Un experimento satelital que implemente estas actualizaciones debería ser capaz de medir posibles violaciones de WEP al nivel de una parte en $\boldsymbol{10^{17}}$, dicen los investigadores. Pero los resultados de MICROSCOPE probablemente seguirán siendo las restricciones más precisas en WEP por un tiempo.

Saludos.

PD. añado enlaces a otros estudios previos a los resultados finales, publicados en pre-prints por la misión MICROSCOPE en el último año:

Constraints on chameleon gravity from the measurement of the electrostatic stiffness of the MICROSCOPE mission accelerometers

MICROSCOPE instrument in-flight characterization

MICROSCOPE Mission scenario, ground segment and data processing

Hasta ahora, la mejor precisión que se había obtenido en experimentos previos mediante la balanza de torsión y el LASER lunar (Lunar LASER Ranging, LLR)era $\boldsymbol{10^{-13}}$:

Torsion-balance tests of the weak equivalence principle

Lunar laser ranging tests of the equivalence principle