کاوشگر گرانش B ماهواره اى است که به تازگى در مدار قرار گرفته و مامور آزمایش یکى از پیش بینى هاى نسبیت عام است.

مهندسان معمولاً درباره چیز هایى که ساخته اند مبالغه نمى کنند، پس بى گمان ماهواره «گاوشگر گرانش B (GP-B) منحصر به فرد است که دانشمندان براى توصیف آن از لغات «زیبا» و «هنرمندانه» استفاده مى کنند.

این ماهواره که در بیستم آوریل براى تحقیق یکى از پیش بینى هاى نسبیت عام اینشتین به فضا پرتاب شد، دلیل واضحى بر نبوغ و کاردانى بشر است. اگرچه نظریه ساخت GP-B از دهه 1950 مطرح بوده اما از لحاظ فنى امکان ساخت آن به تازگى فراهم شده است. «جف کولد زیجزاک» رئیس پروژه در مرکز پرواز هاى فضایى «مارشال» ناسا درباره GP-B مى گوید: «اگر علم تجربى یک هنر است پس من هم به GP-B به عنوان یک شاهکار رنسانس نگاه مى کنم.» زیبایى و عظمت طراحى GP-B در این است که این ماهواره باید در اطراف سیاره زمین که مملو از اجرام گوناگون است به کشفیاتى بسیار دقیق بپردازد که اثر هر کدام از این اجرام ممکن است در نتیجه آزمایش تاثیر داشته باشد. دانشمندان امیدوارند که به وسیله این ماهواره خمیدگى فضا _ زمان در اطراف زمین را بسنجند و این عمل آن چنان دقیق باید انجام شود که حتى لحظه اى دخالت یک نیروى خارجى دیگر یا یک نقص کوچک و میلى مترى در داخل ماهواره موجب ایجاد یک خطاى سیستماتیک در نتیجه آزمایش شده و باعث پنهان شدن تاثیرى مى شود که دانشمندان به دنبال آن هستند. (نظریه نسبیت عام که در سال 1916 توسط اینشتین تدوین شد، پیش بینى مى کند که زمین با حرکت وضعى به دور خود، فضا _ زمان را به همراه خود مى کشد و یک مارپیچ از فضا _ زمان در اطراف زمین تشکیل مى شود.م) دانشمندان به این پدیده «کشیدگى چارچوب» مى گویند. با توجه به اثبات بسیارى از پیش بینى هاى نظریه نسبیت عام، اکثر فیزیکدانان معتقدند که چنین وضعیت گردابى در فضا _ زمان حقیقت دارد. اما پیش از این هیچ آزمایشى براى تایید این پیش بینى نظریه انجام نشده بود.

کاوشگر گرانش B

ایده آزمایش بسیار ساده است. ژیروسکوپ در حال دوران که محور دوران در چارچوب ستاره هاى ثابت وضعیت مشخصى را دارد، در مدار زمین قرار مى دهیم و تلاش مى کنیم که نیرو هاى خارجى بر آن تاثیر نداشته باشند. بنابراین محور دوران ژیروسکوپ نباید تغییر جهت دهد و همواره باید ثابت باشد. اما اگر فضا _ زمان در اثر جرم و حرکت دورانى زمین به صورت یک مارپیچ درآمده باشد، محور دوران باید تحت تاثیر خمیدگى فضا _ زمان به آرامى تغییر جهت بدهد و با اندازه گیرى این تغییرات کوچک مى توان نظریه نسبیت عام را تحقیق کرد. اصول آزمایش ساده است ولى مشکل در نحوه انجام آن است. طبق محاسبات محور ژیروسکوپ باید 0‎/420 ثانیه قوسى در سال نسبت به چارچوب ثوابت تغییر زاویه بدهد. (هر ثانیه قوسى یک سه هزار و ششصد درجه است.) براى تحقیق این چرخش باید دقت اندازه گیرى GP-B کمتر از 0005/0 ثانیه قوسى باشد.

کولد زیجزاک مى گوید: «این آزمایش باید از هر نظر کامل باشد. زیرا 40 سال برنامه ریزى، تحقیق و تلاش دانشمندان و مهندسین دانشگاه استانفورد مرکز پرواز هاى، فضایى مارشال و شرکت هواپیماسازى لاکهید مارتین را به همراه دارد. تیم سازنده GP-B توانستند کروى ترین گوى هایى را که تاکنون بشر ساخته است براى ژیروسکوپ هاى این ماهواره بسازند. این گوى ها باید در مدار زمین در یک محفظه اى که با پوششى فلزى از نفوذ هرگونه میدان الکترومغناطیسى جلوگیرى مى کند، قرار بگیرند. حرکات چرخشى ماهواره هم اثرات گرانش زمین را خنثى مى کند. بنابراین محور چرخش گوى ها تحت تاثیر هیچ نیروى خارجى نیست و تنها خمیدگى فضا _ زمان است که مى تواند روى آن تاثیر بگذارد. این محفظه را محفظه بدون لرزش (drag-free) مى گویند. ساخت چنین محفظه اى بسیار مشکل است. زیرا میدان مغناطیسى زمین چنان گسترده است که GP-B را که 400 کیلومتر بالاى سطح زمین قرار دارد احاطه مى کند. گوى هاى ژیروسکوپ به اندازه یک توپ پینگ پنگ با قطر 5/1 اینچ هستند که از جنس آلیاژ کوارتز و سیلیسیم ساخته شده اند. این گوى ها توخالى هستند و بدنه آنها به حدى نازک است که اگر گوى ها به اندازه کره زمین بودند ضخامت جدار آنها تنها حدود 10 متر مى شد! اگر این جدار نازک کاملاً کروى نباشد، محور دوران آن خود به خود دچار تغییر جهت مى شود (در اثر گرانش زمین) و تمام تلاش هاى آزمایشگران از بین مى رود. قرار گرفتن در مدار موجب مى شود که گوى ها به حالت بى وزنى در محفظه خود شناور شوند اما بدون کنترل ممکن است گوى هاى چرخان چنان منحرف شوند که به بدنه ماهواره برخورد کنند. ماهواره توسط تاثیرات آیرودینامیک کندرو در حالت بى وزنى قرار دارد. در حالى که گوى هاى شناور در داخل سفینه این گونه نیستند. براى جلوگیرى از برخورد ژیروسکوپ با بدنه ماهواره تیم GP-B از یک بدنه ماهواره ضدلرزش استفاده کرده اند. در درون ماهواره دستگاه هاى اندازه گیرى فاصله ژیروسکوپ تا بدنه محفظه با دقتى حدود یک نانومتر در حال کنترل آن هستند و موتور هاى ماهواره کوچک ترین تغییرى در این فاصله را تصحیح مى کنند. در نتیجه در حقیقت گوى هاى ژیروسکوپ در حالى به دور زمین مى چرخند که درون یک محفظه اى قرار دارند که هیچ گونه تماسى با آن ندارند اما این محفظه همواره آنها را از شر هر نیروى خارجى در امان نگه مى دارد. براى جلوگیرى از نفوذ میدان مغناطیسى زمین که باعث به هم خوردن محور دوران ژیروسکوپ ها مى شود چه باید کرد؟ میدان هاى الکترومغناطیسى در داخل فلزات نفوذ نمى کنند به همین دلیل ژیروسکوپ ها در محفظه اى سربى قرار دارند که پیرامون آن را حدود 400 گالون هلیم مایع فراگرفته که دماى محیط را به حدود 7/1 کلوین (271 _ درجه سانتى گراد) مى رساند. این امر باعث ایجاد خاصیت ابررسانایى در سرب مى شود و به این ترتیب از نفوذ هرگونه میدان الکترومغناطیسى از جمله میدان مغناطیسى زمین و یا میدان هاى تابشى خورشید، به درون محفظه ژیروسکوپ ها، جلوگیرى مى کند، در حقیقت میدان مغناطیسى در مدارى که این ماهواره در آن قرار دارد حدود 003/0 گاوس است (در سطح زمین این میزان 5/0 گاوس است) اما اثر همین مقدار کم هم باید از بین برود تا نتایج کاملاً صحیح باشند. سرماى شدید ناشى از هلیم مایع فایده دیگرى هم دارد و آن این است که باعث ایجاد خلا با حداقل فشار ممکن در درون محفظه مى شود. بعد از خارج کردن هوا از محفظه آن میزان از مولکول هاى گاز که در محیط باقى مى مانند، در اثر سرماى ایجاد شده (7/1 کلوین) عملاً به سختى حرکت مى کنند و مشکلى براى چرخش ژیروسکوپ ها به وجود نمى آورند. تجهیزات ایجاد خلأ بالا (High _ Vacum) محفظه قادرند با سرعت 10 هزار دور در دقیقه به مدت هزار سال بدون کاهش حتى 1 درصد در سرعتش بچرخد. نکته مهم بعدى اندازه گیرى محور دوران ژیروسکوپ ها است که این عمل باید بدون کوچک ترین ضربه به آن انجام شود. این بار نیز از خواص ابررسانا استفاده مى شود. وقتى یک گوى رسانا مى چرخد میدان مغناطیسى ضعیفى تولید مى کند. به همین دلیل گوى ها از لایه نازکى از فلز «نیوبیوم» پوشیده شده است. در دماى محفظه فلز نیوبیوم خاصیت رسانایى دارد و در اثر چرخش میدانى ایجاد مى شود که توسط SQUID هاى به کار رفته در بدنه محفظه قابل ردیابى هستند.

SQUID ها وسیله اى براى سنجش میدان هاى مغناطیسى هستند که قادرند میدان مغناطیسى به کوچکى 50 میلیاردم یک میکروگاوس (1014*5 گاوس) را آشکار کنند. در اثر تغییر هوا چرخش ژیروسکوپ، تغییرات ایجاد شده در میدان مغناطیسى در همین حدود اند و قابل ردیابى توسط SQUID ها هستند. در داخل ماهواره یک تلسکوپ کار گذاشته شده که به سمت یک ستاره دوردست و تقریباً ثابت (در مدت دو سال ماموریت GP-B به نام IM-Pegasus نشانه گیر شده است. اگرچه این ستاره کاملاً ثابت نیست اما کیهان شناسان تمام حرکات آن را کنترل مى کنند. این ستاره به عنوان یک نقطه مرجع خارجى براى اندازه گیرى انحراف محور ژیروسکوپ ها به کار مى رود. ژیروسکوپ ها محفظه اى سربى ابررسانا SQUID ها، تلسکوپ ها و سایر تجهیزات GP-B کاوشگر گرانش B باعث شده که فیزیکدانان به این نتیجه برسند که این ماهواره واقعاً شاهکار فرد بشرى است.