微速讯：用“迪斯科球”测试爱因斯坦理论

一颗新发射的卫星旨在测量地球自转如何扭曲周围的时空结构——这是爱因斯坦广义相对论的效应，新测试将比以往精确十倍。

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7月13日，激光相对论卫星2号（LARES-2）从法属圭亚那库鲁的欧洲航天局（ESA）太空港发射。它由意大利航天局（ASI）建造，耗资约1000万欧元（1020万美元），并在欧洲织女星火箭升级版本Vega C的首次飞行中升空。

“ESA和ASI将卫星送入其轨道，精度达到了400米。”任务负责人、意大利莱切萨伦托大学的物理学家Ignazio Ciufolini说，火箭的表现“非常出色”，这种精确定位将有助于提高研究人员测量的质量。

LARES-2的结构非常简单，它是一个覆盖着303个反射器的金属球体，没有机载电子设备或导航控制系统，直径不到50厘米的球体中装入了约295公斤的材料。

罗马萨皮恩萨大学的航空航天工程师Antonio Paolozzi说，它的密度最大限度地减少了诸如阳光辐射压力或高空地球大气层微弱阻力等现象的影响。在对定制的高密度材料进行实验后，该团队选择了现成的镍合金，其具有可接受的密度，使LARES-2能够在不进行昂贵的飞行认证测试的情况下获得Vega C首飞资格。

Ciufolini和同事利用现有的全球激光测距站网络，对LARES-2的轨道进行数年的跟踪。这种探测器可以持续提供几十年的数据。

根据牛顿引力理论，一个围绕完美球形行星旋转的物体应该一直沿着同一个椭圆轨道运行。但在1913年，爱因斯坦和他的合作者Michele Besso根据广义相对论的初步版本提出，这样一颗行星旋转会导致卫星轨道发生轻微变化。1918年，奥地利物理学家Josef Lense和Hans Thirring对这种效应进行了精确的数学计算。现代计算预测，Lense-Thirring效应——一种相对论性的“帧拖拽”，应该会使轨道平面每年绕地轴进动或旋转8.6百万分之一度。

Ciufolini说，实际上，地球本身并不是一个完美的球体，而是“形状像土豆”。由此产生的地球引力场的不规则性正是LAGEOS（激光地球动力学卫星）设计用来测量的东西，这增加了一些额外的轨道进动，使相对论效应更难测量。但通过比较两颗卫星的轨道，可以消除这些不规则性。

Ciufolini自1984年发表博士论文以来一直致力于LARES任务概念的研究，他于2004年首次应用这一原理，通过比较LAGEOS和LAGEOS-2（ASI发射的类似探测器）的轨道来测量帧拖拽。他和他的合作者、马里兰大学帕克分校的Erricos Pavlis声称已经确定了该效应，准确率为10%。

尽管结果仍然很粗糙，但该团队还是设法获得了NASA一项耗资8亿美元的实验，该实验旨在用一种不同的技术测量帧拖拽。2004年发射的高度复杂的重力探测器B任务，测量的不是航天器轨道的变化，而是4个旋转球体倾角的变化，每年移动的幅度很小。意味着重力探头B只能达到20%的精度，远未达到其最初的目标1%。

Ciufolini团队随后使用LARES将其早期结果提高到2%的精度，LARES是第一个明确设计用于此类实验的探测器。但运载火箭（早期的Vega火箭）的局限性意味着LARES只能达到1450公里的高度。LARES-2现在位于一个更为理想的5900公里处，在那里地球引力场的不规则性得到了抑制，但帧拖拽的影响仍然很强。

Ciufolini说，这次任务的目标是达到0.2%的精度，而精确的轨道注入应该会使这一目标很容易实现。他补充说，这可以让团队判断广义相对论是否能战胜时空的其他理论。