Visoko nad našimi glavami se dogaja nekaj, česar ne moremo videti ali občutiti, toda približno 200.000 laserskih meritev je pokazalo, da se nevidna struktura okoli našega planeta obnaša natanko tako, kot je bilo napovedano že pred več kot stoletjem.
Mednarodna skupina znanstvenikov je z doslej izjemno natančnostjo izmerila tako imenovani učinek vlečenja prostor-časa oziroma frame-dragging, ki ga povzroča vrtenje Zemlje. Rezultati raziskave, objavljene v ugledni znanstveni reviji Nature, so ponudili še eno izjemno natančno potrditev splošne teorije relativnosti Alberta Einsteina.
Raziskovalci so uporabili laserske meritve razdalj do dveh satelitov in Einsteinovo napoved potrdili z relativno negotovostjo približno 0,2 odstotka. S tem so dosegli skoraj desetkrat večjo natančnost v primerjavi s prejšnjimi tovrstnimi fizikalnimi preizkusi v našem Osončju.
Toda kaj so pravzaprav merili?
Učinek frame-dragging izhaja iz nenavadne lastnosti prostora in časa, ki jo je predvidela splošna teorija relativnosti. Vrteča se masa namreč s svojim gibanjem nekoliko "vleče" okoliški prostor-čas. Pojav si lahko predstavljamo s pomočjo žlice, ki jo zavrtimo v kozarcu gostega medu. Žlica med vrtenjem za seboj potegne okoliško tekočino. Na podoben način vrteča se Zemlja v smeri svojega vrtenja neznatno vpliva na samo geometrijo prostor-časa.
Pri satelitih v orbiti se to pokaže kot izjemno počasno premikanje njihove orbitalne ravnine v primerjavi s tem, kar bi pričakovali, če relativističnega učinka ne bi bilo. V bližini Zemlje je pojav tako šibek, da ga ni mogoče preprosto zaznati v kratkem časovnem obdobju. Znanstveniki so zato analizirali približno 200.000 posameznih meritev, opravljenih v več kot tisoč dneh med julijem 2022 in junijem 2025.
Ključno vlogo sta imela geodetska satelita LARES-2 in LAGEOS, ki Zemljo obkrožata na višini približno 5900 kilometrov. Gre za pasivni kovinski krogli, posejani s stotinami posebnih retroreflektorjev. Zemeljske postaje po svetu proti njima pošiljajo kratke laserske impulze. Ko se svetloba odbije od satelita in vrne na Zemljo, lahko strokovnjaki iz časa njenega potovanja izjemno natančno izračunajo razdaljo do satelita. Projekt je kot prvi avtor raziskave vodil fizik Ignazio Ciufolini z rimske univerze La Sapienza.
Med obema satelitoma je skoraj pol stoletja razlike. LAGEOS, ki ga je razvila ameriška vesoljska agencija Nasa, okoli Zemlje kroži že od leta 1976, italijanski LARES-2 pa so izstrelili šele leta 2022. Slednji je že sam po sebi nenavaden kos vesoljske tehnologije. V premeru meri zgolj 42 centimetrov, vendar tehta skoraj 300 kilogramov. Izdelan je namreč iz enega samega masivnega bloka izredno goste nikljeve zlitine.
Takšna zasnova ima pomemben namen. Zaradi izjemno majhnega razmerja med površino in maso imajo negravitacijske sile, kot je pritisk Sončevega sevanja, na njegovo gibanje zelo majhen vpliv. Kombinacija dolgoletnih podatkov satelita LAGEOS in novih, izjemno natančnih meritev LARES-2 je raziskovalcem omogočila, da so iz množice drugih vplivov izločili komaj zaznavni relativistični signal.
Najzahtevnejši izziv plima K1
Toda naloga je bila precej zahtevnejša, kot bi lahko sklepali zgolj iz merjenja razdalje. Zemlja namreč ni popolna krogla, njeno gravitacijsko polje pa ni povsod enako. Zaradi nepravilne oblike planeta se orbite satelitov nenehno nekoliko spreminjajo. LARES-2 in LAGEOS zato krožita po orbitah, ki sta glede na ekvatorialno ravnino skoraj zrcalno nagnjeni. Tako so lahko raziskovalci odstranili največje statične motnje, povezane z Zemljinim gravitacijskim poljem.
Precej večji izziv so predstavljali vplivi, ki se s časom spreminjajo. Med najzahtevnejšimi je bila tako imenovana plima K1, posebna lunisolarna Zemljina plima. Privlačnost Lune in Sonca namreč ne premika zgolj oceanov. Minimalno deformira tudi samo Zemljo, ogromne količine vode pa se ob tem nenehno prerazporejajo. Zaradi premikanja mase se spreminja lokalno gravitacijsko polje našega planeta, kar vpliva tudi na orbiti obeh satelitov.
Raziskovalcem je težave povzročilo predvsem nenavadno časovno ujemanje. Vpliv plime K1 na orbitalni ravnini satelitov ima cikel, dolg natanko 1050 dni – skoraj toliko časa, kolikor je trajalo tudi zbiranje podatkov za raziskavo. Ciklična motnja se je zato v podatkih prekrivala s postopnim relativističnim učinkom, ki so ga znanstveniki poskušali izmeriti.
Za ločevanje obeh pojavov so potrebovali zapletene matematične modele Zemljinega gravitacijskega polja. Pri tem je sodeloval tudi Helmholtzov center za geoznanosti v Potsdamu, kjer je znanstvenik Patrick Schreiner pripravil ključne modele za natančno določanje Zemljinega gravitacijskega polja. Šele nato je bilo mogoče iskani relativistični signal dovolj jasno izločiti. Rezultat ni pomemben zgolj zato, ker je Einsteinova teorija prestala še en izjemno natančen preizkus.
Neverjetno, kakšen genij je bil ...
Meritve namreč dodatno omejujejo tudi alternativne teorije gravitacije. Med njimi je tako imenovana Chern-Simonsova gravitacija, ki za učinek vlečenja prostor-časa napoveduje nekoliko drugačne vrednosti. Takšni modeli se pojavljajo tudi v sodobni kozmologiji pri poskusih pojasnjevanja nekaterih še vedno odprtih vprašanj, med drugim pospešenega širjenja vesolja. Nove meritve tako posegajo prav na področje, kjer bi se morebitne razpoke v Einsteinovi teoriji lahko začele kazati. Tokrat jih raziskovalci niso našli.
Vendar zgodba s tem še ni končana. Poskus je bil opravljen v razmeroma šibkem gravitacijskem polju Zemlje. Povsem drugačne razmere vladajo v neposredni bližini ekstremnih vesoljskih objektov, kot so hitro vrteče se črne luknje. Ali Einsteinove napovedi tudi tam veljajo z enako osupljivo natančnostjo, ostaja eno od vprašanj prihodnjih astrofizikalnih raziskav.
Meritve pa so znanstvenikom prinesle še nekaj nepričakovano uporabnega. Podatki, s katerimi so preverjali eno temeljnih napovedi splošne relativnosti, hkrati omogočajo natančnejše preučevanje deformacij našega planeta. "Iste meritve, ki potrjujejo napoved splošne teorije relativnosti, nam prinašajo tudi nove informacije o Zemljinih plimah," je dvojni pomen raziskave povzel Schreiner.
Več kot stoletje po tem, ko je Einstein spremenil naše razumevanje gravitacije, prostora in časa, je tako približno 200.000 laserskih meritev v Zemljini orbiti znova pokazalo isto: njegova teorija se je tudi pri enem najnatančnejših preizkusov doslej obdržala. Neverjetno, kakšen genij je bil Albert Einstein ...
