Il sistema di navigazione satellitare europeo Galileo – già al servizio degli utenti di tutto il mondo – ha fornito un servizio storico alla comunità di fisica di tutto il mondo, consentendo la misurazione più accurata mai fatta di come gli spostamenti della gravità alterano il passare del tempo, un elemento chiave della teoria della relatività generale di Einstein.
Due team europei di fisica fondamentale che lavorano in parallelo hanno realizzato indipendentemente un miglioramento di circa cinque volte nella misurazione dell’accuratezza dell’effetto di dilatazione temporale basato sulla gravità, noto come “redshift gravitazionale”.
La prestigiosa rivista Physical Review Letters ha appena pubblicato i risultati indipendenti ottenuti da entrambi i consorzi, raccolti da oltre un migliaio di giorni di dati ottenuti dalla coppia di satelliti Galileo in orbite allungate.
Il test gravitazionale
“E ‘estremamente soddisfacente per l’ESA vedere che la nostra aspettativa originaria che tali risultati siano teoricamente possibili ora sono stati confermati in termini pratici, fornendo il primo miglioramento segnalato del test gravitazionale del redshift per più di 40 anni”, commenta Javier Ventura- Traveset, Capo dell’ufficio Galileo Navigation Science dell’ESA.
“Questi risultati straordinari sono stati resi possibili grazie alle caratteristiche uniche dei satelliti Galileo, in particolare le altissime stabilità dei loro orologi atomici di bordo, l’accuratezza raggiungibile nella determinazione dell’orbita e la presenza di retroriflettori laser, che consentono di misure di orbita indipendenti e molto precise da terra, chiave per districare gli errori di clock e di orbita.”
Ricerche parallele
Queste attività di ricerca parallele, conosciute come GREAT (Galileo gravitazionale esperimento Redshift con sATelliti eccentriche), sono state guidate rispettivamente dal SYRTE Observatoire de Paris in Francia e dal centro tedesco ZARM di Applied Space Technology e Microgravity, coordinato dall’ESA Galileo Navigation Science Office e sostenuto attraverso le sue attività di base.
Questi risultati sono il felice esito di un infelice incidente: nel 2014 i satelliti Galileo 5 e 6 sono rimasti bloccati in orbite scorrette da un malfunzionamento del livello superiore Soyuz, bloccandone l’uso per la navigazione. I controllori di volo dell’ESA sono entrati in azione, eseguendo un audace salvataggio nello spazio per aumentare i punti bassi delle orbite dei satelliti e renderle più circolari.
Una volta che i satelliti hanno raggiunto la visione dell’intero disco terrestre, le loro antenne sono state bloccate e i loro strumenti di navigazione attivati.
I satelliti sono oggi in uso come parte dei servizi di ricerca e soccorso di Galileo mentre la loro integrazione come parte delle operazioni nominali di Galileo è attualmente in fase di valutazione finale da parte dell’ESA e della Commissione europea.
Tuttavia, le loro orbite rimangono ellittiche, con ogni satellite che sale e scende di circa 8500 km due volte al giorno. Sono stati questi cambiamenti di altezza regolari, e quindi i livelli di gravità, che hanno reso i satelliti così preziosi per i gruppi di ricerca.
La teoria di Einstein
Albert Einstein aveva predetto un secolo fa che il tempo sarebbe passato più lentamente vicino a un oggetto enorme, una scoperta che è stata verificata sperimentalmente diverse volte – la più significativa nel 1976, quando fu lanciato un orologio atomico, confermando la previsione di Einstein entro 140 parti per milione.
Infatti, gli orologi atomici a bordo dei satelliti di navigazione devono già tener conto del fatto che corrono più velocemente in orbita che in terra – ammontano a pochi decimi di microsecondo al giorno, il che comporterebbe errori di navigazione di circa 10 km al giorno, se non corretti.
L’orologio atomico di Galileo
I due team hanno fatto affidamento sul cronometraggio stabile degli orologi passivi di maser a idrogeno (PHM) a bordo di ogni Galileo che può sbagliare solamente di un secondo in tre milioni di anni.
“Il fatto che i satelliti Galileo portino orologi maser a idrogeno passivi è stato essenziale per l’accuratezza raggiungibile di questi test”, ha osservato Sven Hermann del Centro di tecnologia spaziale applicata di Microstar dell’Università di Brema e di Microgravity.
“Mentre ogni satellite Galileo trasporta due rubidi e due orologi maser all’idrogeno, solo uno di questi è l’orologio di trasmissione attivo. Durante il nostro periodo di osservazione, ci concentriamo quindi sui periodi di tempo in cui i satelliti trasmettono con gli orologi PHM e valutiamo molto attentamente la qualità di questi preziosi dati. I continui miglioramenti nell’elaborazione e in particolare nella modellazione degli orologi potrebbero portare a risultati più serrati in futuro.”
Le misure di gravità
Una sfida chiave in tre anni di lavoro è stata quella di affinare le misure gravitazionali del redshift eliminando gli effetti sistematici come l’errore di clock e la deriva orbitale dovuti a fattori come il rigonfiamento equatoriale della Terra, l’influenza del campo magnetico terrestre, le variazioni di temperatura e persino la sottile ma persistente spinta della luce solare stessa, nota come “pressione della radiazione solare”.
“La modellizzazione attenta e conservatrice e il controllo di questi errori sistematici sono stati essenziali, con stabilità fino a quattro picosecondi durante le 13 ore del periodo orbitale dei satelliti; questo è il quattro milionesimo di un milionesimo di secondo,” ha affermato Pacôme Delva di SYRTE Observatoire de Paris. “Ciò ha richiesto il supporto di molti esperti, in particolare l’esperienza dell’ESA grazie alla loro conoscenza del sistema Galileo”.
