重力探测器B

重力探测器B（英语：GravityProbeB，简称GP-B）是美国国家航空航天局（NASA）在2004年4月20日发射的一颗科学探测卫星。这个任务的计划是测量地球周围的时空曲率，以及相关的能量-动量张量（描述物质的分布及运动的张量），从而对爱因斯坦的广义相对论的正确性和精确性进行检验。

名称：重力探测器B

别名：引力探测器B、重力探测B卫星、B型重力探测器

制造商：斯坦福大学

发射日期：2004年4月20日

发射地点：加利福尼亚州，范登堡

轨道：640公里×646公里，倾角90°

运载火箭：德尔塔Ⅱ7920

有效载荷：GP-B望远镜。

结构尺寸：6.4米×2.6米

1、简介

重力探测器B

重力探测器B是NASA和斯坦福大学联合进行的一个试验项目，目的是验证爱因斯坦广义相对论的两个重要预测，即时间和空间不仅会因地球等大质量物体的存在而弯曲，大质量物体的旋转还会拖动周围时空结构发生扭曲，这两项预测分别被称为“测地效应”和“结构拖曳(FrameDragging)”，这些是通过测量4个陀螺仪转向地球旋转方向的微小变化得到的。

它利用四个球状陀螺仪精确测量爱因斯坦理论所预言的两个特别效应。一个是重力场效应，用于测量地球所在时空的弯曲度；另一个是结构拖曳效应，以测定旋转的地球拖曳其周围时空的量。

2、研究历程

重力探测器B

重力探测器B的研发历史可追溯到二十世纪六十年代，至2004年正式升空长达四十多年，其耗资达七亿五千万美元。这是美国国家航空航天局历史上研发时间最长的计划，之所以如此拖延的原因不仅仅在于技术上的难题，其中也牵扯进了很多关于科学上与政治上的争论。

重力探测器B的最初结果证实了广义相对论所预言的测地线效应的精确度达到了误差小于1%，而所期望的参考系拖拽效应的信号强度则和当前的噪声强度处于同一量级（这些噪声主要来自一些尚未建立研究模型的物理效应）。相关的数据分析工作正在进行中，对信号中的噪声进行建模分析，找到误差来源，从而能够将有用的参考系拖拽信号从中萃取出来。

在2007年4月14日至17日期间于佛罗里达州杰克逊维尔召开的美国物理学会四月年会上首先公布了重力探测器B的一些初始探测结果。NASA起初提议将引力探测器B的数据分析工作期限延伸至2007年12月底，但随后延长到2008年9月，并有可能进一步延长到2010年3月。

2008年8月，参考系拖拽效应已被确认在期望结果的15%范围内。

2008年12月，美国国家航空航天局发布报告，测地线效应的精确度达到了误差小于0.5%。

爱因斯坦广义相对论

在一篇于2001年发表在《物理评论快报》的论文里，作者表示，从分析所有四个陀螺仪给出的数据，得到测地漂移率为-6,601.8±18.3mas/yr)，参考系拖拽漂移率为-37.2±7.2mas/yr；广义相对论预测分别为-6,606.1mas/yr与-39.2mas/yr，差异分别为0.07%与5%，不确定性分别为0.28%与19%。

一些初步结果在美国物理学会于2007年4月举办的一场特别会议里被发布。美国国家航空航天局原本请求延伸引力探测器B数据分析阶段至2007年12月。靠着商人理查·费尔班克、史丹佛大学、美国国家航空航天局的专款支持，这数据分析阶段得以延伸至2008年年中。之后，又从沙特商人募得很多专款。

2011年，终于完成科学报告。在史丹佛大学的分析小组与美国国家航空航天局于2011年5月4日宣布，引力探测器B实验数据证实爱因斯坦广义相对论的两个预测。这结果发表于《物理评论快报》。关于更进一步实验测量参考系拖拽的可以在《欧洲物理快报》的2011年11月期刊查阅。

3、研究团队

重力探测器B

这一计划由位于阿拉巴马州的NASA马歇尔航天飞行中心管理。斯坦福大学构思该实验，并成为这一计划的总承包人。斯坦福大学负责科学仪器的设计和集成，以及任务操作，并领导数据分析工作。洛?马太空系统公司设计、集成并试验了运载火箭，还建造了有效载荷的部分主要部件。

4、探测任务

重力探测器B

根据爱因斯坦的广义相对论，地球围绕地轴的自转将导致时间空间的弯曲，这种现象就好比一条落网的鱼扭动身体会导致渔网的变形。但是由于地球引起的时间空间的弯曲是如此轻微，以致没有人能用实验来证实爱因斯坦的预言。为了证实这一预言是否正确，在2004年4月，科学家们发射了重力探测器B—一颗装备了超精确设备的卫星，它能监测到地球每8.8万年里发生的1度转角的变化。

总体而言，这项任务包括对地球引力场中的两种广义相对论效应进行测量：参考系拖拽和测地线效应。这两种效应在此之前还未曾被精确测量过，至少从没有达到过这次引力探测器B所预计将达到的精确量级。

参考系拖拽研究

实验的主要目标之一是高度精确地测量放置于一颗高度为642公里的极轨道人造卫星上四个陀螺仪的自旋方向改变。这些陀螺仪远离一切可能的扰动，从而提供了一个近于完美的时空参考系。通过对这些陀螺仪自旋方向的测量，可以了解到时空在地球的存在下是如何发生弯曲的，以及更进一步地，测量到地球的自转是如何“拖拽”周围的时空随之一起运动的。这种效应叫做兰斯-蒂林效应，是参考系拖拽的一种；它有时也被称作引力磁性，是由于这种引力场的产生机制类似于电磁学中运动电荷产生感生磁场的原理。

在引力探测器B发射之前，对参考系拖拽效应仅有的测量数据来自于1997年和2004年发射的两颗LAGEOS卫星，它们采用激光测距的方法声称对参考系拖拽的测量分别达到了约为20%和10%的误差精度。而引力探测器B的目标精度则是1%。另一个在火星引力场中观测兰斯-蒂林效应的测试结果是根据对火星全球探勘者号的位置数据进行恰当分析后得到的，其声称的精度达到了0.5%，但这一结果的精确性却充满争议。

测地线效应研究

实验的另一主要目标是测量地球引力场中的测地线效应。这种效应来自于地球引力场中时空曲率的改变，从而陀螺仪的自转轴在地球引力场中进行平行输运时，在地球自转一周的范围内并不会保持同一方向，最终影响结果是造成陀螺仪的进动。这种效应是参考系拖拽效应的170倍，广义相对论的理论预言由于自旋-轨道耦合和时空曲率而产生的轨道平面上的测地线效应总和会造成陀螺仪每年进动6.606角秒，因此它是一个相当可观的广义相对论效应。对于测地线效应，物理学家基普·索恩有一个通俗演示录像：他使用一个接近扁平的纸质圆锥来模拟地球引力场，而这个圆锥是通过剪掉一个圆环上的一个扇形后粘合得到的。重力探测器B所要测量的，就是这块因测地线效应而“丢失的”扇形（角度），其要求精度将达到万分之一，是迄今为止对广义相对论最精确的实验验证。

5、结构特点

重力探测器B

在探测器的中心，是几乎完全与外界隔离的陀螺仪：4个直径1.5英寸比高尔夫球稍大一些的石英球，这些石英球表面镀有一层铌，在望远镜工作的温度下，金属铌处于超导状态。这4个石英球体是有史以来最圆的物体。

当石英球旋转时，一些金属铌的电子会从原子中逸出，这种相对运动会产生微小的电流，并进而生成磁场。通过观测磁场的轴，就能够确定陀螺仪旋转轴所指的方向，陀螺仪可以没有扰动地*转动，因此它们能够提供近乎完美的空间一时问参考系统。

6、使用情况

重力探测器B

重力探测器B，于2004年4月20日，在位于加利福尼亚州的范登堡空军基地发射升空。由于发射窗口后移，它的准确发射时间是太平洋时间4月20日9点57分23秒（国际标准时间16点57分23秒），卫星在经过南极点并经过短暂的二级燃烧后于太平洋时间11点12分33秒（国际标准时间18点12分33秒）进入轨道，卫星运行时间持续17个月。

2004年8月24日，重力探测器开始科学运行并持续50个星期。飞行器传回多于1000吉字节的数据。因为液体氦耗尽，数据收集工作在2005年9月29日结束。

2007年4月发布了第一次观测结果。

重力探测器B已经完成了数据收集工作，并于2010年12月退役，它在服役期间的发现公布在了PHYSICALREVIEWLETTERS杂志的网站上。

7、技术成果

在研究任务本身之外，重力探测器B的研究意义还在于它开发并完善了至少十几种新技术。例如它所用的陀螺仪的稳定性是最好的导航陀螺仪的一百万倍，而为了制得完美球体的陀螺仪转子工作人员花了十年以上的时间并开发出了一套全新的制造工艺。实验中所用的超导量子干涉仪的灵敏度之高可以探测到0.1毫角秒的角度倾斜。

在四十多年的研究过程中，重力探测器B也创造了可观的技术、商业和社会收益，例如它用于在太空中控制液氦的渗透式活塞在NASA的其他很多空间项目中都起到了基础性作用。

重力探测器B项目也促进了引导飞机着陆的GPS技术的改进。这些创新技术都被应用在了美国宇航局的“宇宙背景探测器”项目之中。该项目的目的是考察“宇宙大爆炸”瞬间后剩余的宇宙背景射线。

重力探测器B提出的无阻力卫星的概念，使一系列观察地球的卫星成为可能，包括美国宇航局的重力卫星GRACE。这些卫星将提供对地球形状的最精确的测量数据，而这对于陆地和海洋旅行非常重要，对于理解大洋环流及气候变化模式也非常重要。

对社会而言最重要的是，重力探测器B的研究对众多教师和学生的事业和生活都产生了深远的影响，这其中包括79篇斯坦福大学以及13篇其他大学的博士论文。参与重力探测器B的人员其中包括美国的第一位女宇航员，一位航空公司首席执行官以及一位诺贝尔奖获得者。