Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Teoria relativității » Tragerea cadrelor (Efectul Lense-Thirring)

Tragerea cadrelor (Efectul Lense-Thirring)

Jet relativist
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Galaxies-AGN-Inner-Structure.svg

Tragerea cadrelor este un efect asupra spațiutimpului, prezis de teoria generală a relativității lui Einstein, care se datorează distribuțiilor stationare non-statice de masă-energie. Un câmp staționar este unul care este într-o stare de echilibru, dar masele care cauzează acest câmp pot fi non-statice, de exemplu, rotative. În general, subiectul efectelor cauzate de curenții de masă-energie este cunoscut sub denumirea de gravitomagnetism, în mod analog cu electromagnetismul clasic.

Primul efect de tragere a cadrulelor a fost derivat în 1918, în cadrul relativității generale, de către fizicienii austrieci Josef Lense și Hans Thirring și este, de asemenea, cunoscut ca efectul Lense-Thirring. Ei au prezis că rotația unui obiect masiv ar distorsiona metrica spațiu-timp, făcând orbita unei particule de test din apropiere să preceseze. Acest lucru nu se întâmplă în mecanica newtoniană pentru care câmpul gravitațional al unui corp depinde numai de masa sa, nu de rotația sa. Efectul Lense-Thirring este foarte mic – aproximativ o parte în câteva trilioane. Pentru a-l detecta, este necesar să examinăm un obiect foarte masiv sau să construim un instrument foarte sensibil.

În 2015, noi extensii generale-relativiste ale legilor de rotație newtoniană au fost formulate pentru a descrie tragerea geometrică a cadrelor care încorporează un efect antitragere nou descoperit.

Efecte

Tragerea cadrului rotativ (efectul Lense-Thirring) apare în principiul general al relativității și al teoriilor similare în vecinătatea obiectelor masive rotative. Sub efectul Lense-Thirring, cadrul de referință în care un ceas bate cel mai repede este cel care se rotește în jurul obiectului vizualizat de un observator îndepărtat. Aceasta înseamnă, de asemenea, că lumina care se deplasează în direcția de rotație a obiectului se va deplasa peste obiectul masiv mai repede decât lumina care se deplasează împotriva rotației, așa cum vede un observator îndepărtat. Acum este cel mai cunoscut efect de tragere a cadrelor, parțial datorită experimentului Gravity Probe B. Din punct de vedere calitativ, tragerea cadrelor poate fi privită ca analogul gravitațional al inducției electromagnetice.

De asemenea, o regiune interioară este trasă mai mult decât o regiune exterioară. Aceasta produce local cadre interesante de rotație. De exemplu, imaginați-vă că un patinator orientat spre nord-sud, orbitând peste ecuatorul unei găuri negre și în mișcare rotativă în raport cu stelele, își extinde brațele. Brațul întins spre gaura neagră va fi „torsionat” în spate datorită inducției gravitometrice („torsionat” este în ghilimele, deoarece efectele gravitaționale nu sunt considerate „forțe” sub RG). De asemenea, brațul extins dinspre gaura neagră va fi torsionat în sens invers direcției de rotație. Prin urmare, ea va fi accelerată prin rotație, într-un sens contrar rotativ relativ la gaura neagră. Aceasta este opusul a ceea ce se întâmplă în experiența de zi cu zi. Există o rată specifică de rotație care, dacă ar fi inițial în rotație la acea rată când își extinde brațele, efectele inerțiale și efectele de tragere a cadrelor se vor echilibra și rata de rotație nu se va schimba. Datorită principiului de echivalență, efectele gravitaționale nu pot fi diferențiate la nivel local de efectele inerțiale, deci această rată de rotație, la care nu se întâmplă nimic atunci când își extinde brațele, este referința ei locală pentru non-rotație. Acest cadru se rotește în raport cu stelele fixe și se rotește în sens invers în raport cu gaura neagră. Acest efect este analog cu structura hiperfină din spectrele atomice datorită rotației nucleare. O metaforă folositoare este un sistem de angrenaje planetare, cu gaura neagră fiind angrenajul solar, patinatorul fiind un angrenaj planetar, iar universul exterior fiind angrenajul circular.

O altă consecință interesantă este aceea că, pentru un obiect constrâns pe o orbită ecuatorială, dar nu în cădere liberă, cântărește mai mult dacă orbitează anti-rotație și mai puțin în cazul în care orbitează în sensul rotației. De exemplu, într-o alee de bowling suspendată ecuatorial, o minge de bowling rostogolită anti-rotație ar cântări mai mult decât aceeași minge rostogolită într-o direcție rotativă. Rețineți că tragerea de cadre nu va accelera sau va încetini mingea de bowling în niciuna din direcții. Nu este o „vâscozitate”. În mod similar, un fir cu plumb ​​suspendat peste obiectul rotativ nu se va apleca. Va rămâne atârnat în poziție verticală. Dacă începe să cadă, inducția îl va împinge în direcția rotației.

Tragerea liniară a cadrelor este rezultatul similar inevitabil al principiului general al relativității, aplicat impulsului linear. Deși are o legitimitate teoretică egală cu efectul „rotativ”, dificultatea de a obține o verificare experimentală a efectului ăl face să primească mult mai puțină atenție și este adesea omis din articolele de tragere a cadrelor.

Creșterea masei statice este un al treilea efect observat de Einstein în aceeași lucrare. Efectul este o creștere a inerției unui corp atunci când alte mase sunt plasate în apropiere. Deși nu este strict un efect de tragere a cadrului (termenul de tragere nu este utilizat de Einstein), Einstein demonstrează că derivă din aceeași ecuație de relativitate generală. Este, de asemenea, un efect mic care este dificil de confirmat experimental.

Teste experimentale

În 1976, Van Patten și Everitt au propus să se pună în aplicare o misiune specială menită să măsoare precesia nodului Lense-Thirring a unei perechi de nave spațiale care urmează să fie plasate în orbite polare terestre cu aparate fără tragere. O versiune oarecum echivalentă și mai ieftină a unei astfel de idei a fost lansată în 1986 de Ciufolini, care a propus lansarea unui satelit geodezic pasiv pe o orbită identică cu cea a satelitului LAGEOS, lansat în 1976, în afară de planurile orbitale care ar fi trebuit să fie deplasate la 180 de grade: așa-numita configurație fluture. Cantitatea măsurabilă era, în acest caz, suma nodurilor LAGEOS și a noii nave spațiale, mai târziu numite LAGEOS III, LARES, WEBER-SAT.

Limitarea domeniului de aplicare la scenariile care implică corpuri orbitale existente, prima propunere de utilizare a satelitului LAGEOS și tehnica Satellite Laser Ranging (SLR) pentru măsurarea efectului Lense-Thirring datează din 1977-1978. Testele au început să fie efectiv realizate prin utilizarea sateliților LAGEOS și LAGEOS II în 1996, în conformitate cu o strategie care implică utilizarea unei combinații potrivite a nodurilor ambelor sateliți și a perigeului LAGEOS II. Cele mai recente teste cu sateliții LAGEOS au fost efectuate în perioada 2004-2006 prin eliminarea perigeului LAGEOS II și folosind o combinație liniară. Recent, în literatura de specialitate a fost publicată o prezentare cuprinzătoare a încercărilor de a măsura efectul Lense-Thirring cu sateliți artificiali. Precizia generală atinsă în testele cu sateliții LAGEOS este supusă unor controverse.

Experimentul Gravity Probe B a fost o misiune prin satelit de către un grup din Stanford și NASA, folosit pentru măsurarea experimentală a unui alt efect gravimagnetic, precesia Schiff a unui giroscop, la o precizie de 1% sau mai bună. Din nefericire, această precizie nu a fost atinsă. Primele rezultate preliminare lansate în aprilie 2007 au indicat o precizie de 256-128%, sperând să ajungă în jur de 13% în decembrie 2007. În 2008, raportul de examinare senior al misiunilor de operare ale diviziei de astrofizică a NASA a declarat că este puțin probabil ca Echipa Gravity Probe B va fi capabila sa reduca erorile la nivelul necesar pentru a produce un test convingator al aspectelor legate de relativitatea generala (incluzand tragerea cadrelor). În data de 4 mai 2011, grupul de analiză de la Stanford și NASA au anunțat raportul final, iar datele de la GP-B au demonstrat efectul de tragere a cadrelor cu o eroare de aproximativ 19%, iar valoarea estimată de Einstein a fost în centrul intervalului de încredere.

În cazul unor stele care orbitează în apropierea unei găuri negre supermassive, tragerea cadrelor ar trebui să determine planul orbital al stelei să preceseze ]n jurul axei de rotație a gaurii negre. Acest efect ar trebui să fie detectabil în următorii câțiva ani prin monitorizarea astrometrică a stelelor din centrul galaxiei Calea Lactee. Prin compararea ratei de precesie orbitală a două stele pe orbite diferite, este posibil să se testeze, în principiu, teoremele fără păr din relativitatea generală, pe lângă măsurarea rotirii gaurii negre.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *