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Hartmut Abele 1
WDH zum 31.5.06WDH zum 31.5.06Äquivalenzprinzip: Äquivalenzprinzip:
Schwere Masse gleich träger MasseSchwere Masse gleich träger Masse
schwaches Äquivalenzprinzip Einsteinsches Äquivalenzprinzip starkes Äquivalenzprinzip
Hartmut Abele 2
Hartmut Abele 3
Orbit von S2 um SgrA*
Fitkurve = Keplerbahn
Test für das Gravitationsgesetz bei extremen Massen ? ( Sonnenmassen)6107,3
Hartmut Abele 4
Hartmut Abele 5
The Pioneer Anomaly:The Data, Its Meaning, and a Future Test
Michael Martin NietoLos Alamos National Laboratory
University of California
Physics Dept. Colloquium
University of Toronto
29 Sept. 2005
Hartmut Abele 6
A) THE DATAA) THE DATA Pioneer F (10) at the Cape Pioneer F (10) at the Cape Pioneer 10: 2 March 1972Pioneer 10: 2 March 1972
Hartmut Abele 7
Meanwhile …Meanwhile …
Hartmut Abele 8
Pioneer 10/11: Main MissionsPioneer 10/11: Main Missions
Hartmut Abele 9
Hartmut Abele 10
As preparing for 1994 talk on gravity and anti-As preparing for 1994 talk on gravity and anti-matter (see Bled Proceedings), John emailed:matter (see Bled Proceedings), John emailed:
By the way, the biggest systematic in our acceleration residuals is a bias of8 X 10^-13 km/s2
directed toward the Sun.
This is 8 Angstroms/s2 !!
aN = 5.93 x 10-6 km/s2, at 1 AU
Hartmut Abele 11
THE EXTERNAL REACTIONSTHE EXTERNAL REACTIONS1) “IT MUST BE A GLITCH THAT WILL GO AWAY WITH TIME.
THIS CODE WORKS!”
2) IT DID NOT GO AWAY. “BUT WHO CARES? IT IS SMALL AND THINGS WORK WELL ENOUGH.”
3) THEN WE STARTED STRONLY ASSERTING THAT THE EFFECT REALLY IS IN THE DATA.
4) “WELL, IT MUST BE THE CODE AFTER ALL. DON’T BOTHER US ANY MORE UNLESS YOU SHOW US IT IS NOT THE CODE.”
… MUMBLE GRUMBLE
5) FINALLY ANOTHER CODE was used besides ODP… CHASMP.
Hartmut Abele 12
From CHASMP (Aerospace)
Hartmut Abele 13
Early DataEarly Data
Hartmut Abele 14
Hartmut Abele 15
What do we really “know” from the big study?What do we really “know” from the big study?
• For Pioneer 10: between ~40-70.5 AU (1987.0-1998.5)
aP(expt)Pio 10 = (7.84 +/- 0.01) x 10-8 cm/s2
• For Pioneer 11: between ~22.4-31.7 AU (1987.0-1990.8)
aP(expt)Pio 11 = (8.55 +/- 0.02) x 10-8 cm/s2
• Analysis for both Pioneers with systematics: aP = (8.74 +/- 1.33) x 10-8 cm/s2
SEEN only on these small (~250 kg) craft on hyperbolic orbits.NOT SEEN on large, bound, astronomical bodies.
But REMEMBER, this is really a Doppler shift,that is only INTERPRETED as an acceleration.
Hartmut Abele 16
What do we only “suspect” or not know?What do we only “suspect” or not know?
• Pioneer 10 shows an “effect” starting only at ~10 AU. • Before Saturn encounter (at 10 AU) and the transition to hyperbolic orbit, Pioneer 11 did not show the anomaly.
•We have no real idea how far out the anomaly goes. •aP continues out roughly as a constant from about 10 AU.
BUT:
Hartmut Abele 17
Onset of the Anomaly?Onset of the Anomaly?
At Saturn Pioneer 11 reached escape velocity and anomaly had big error. Is it a drag turning on or the escape velocity? (Pio 10 escaped at Jupiter.)
Hartmut Abele 18
Widerspruch zum planetaren Radioranging (Viking) bei 200 AU
3101
Hartmut Abele 19
Lunar Laser RangingPräzisionsmessungen zur Überprüfung von Gravitationstheorien
Apollo 14 – Reflektor: 100 corner cubes, je 3,8cm im Durchmesser auf einem Aluminiumpaneel. Jeder corner cube reflektiert einfallendes Licht wieder zurück zum Herkunftsort
Seminarvortrag Peter Krötz
Hartmut Abele 20
Apollo 11
Apollo 14
Apollo 15
Lunakhod 1
Lunakhod 2
Positionen der Reflektoren auf der Mondoberfläche
Seminarvortrag Peter Krötz
Hartmut Abele 21
‚corner cube prism‘ drei zueinander senkrechte, reflektierende Ebenen werfen das Licht wieder in die Ursprungsrichtung zurück (Fahrrad-Katzenauge)
Apollo 15 Reflektor: 300 corner cubes, 3,8cm Durchmesser
Wegen 3x größerer Fläche der ‚beliebteste‘ Reflektor
Seminarvortrag Peter Krötz
Hartmut Abele 22
17107,1
17101,3 ̂
²²
²²²²²
rD
rndfQ
Link Efficiency:
größte Verlustquelle:
Divergenz der Laserstrahlen:
-Atmosphärisches Seeing 1'' 2km auf Mond
-Ungenauigkeiten im Reflektor: 7-10'' 18km auf Erde
dazu Teleskop-, Empfänger- und Quanteneffizienz, ergibt totale Effizienz von
.
Bei einem 115mJ Laserpuls (@532nm, Photonen) erhält
man also 5 Photonen pro Puls. Seminarvortrag Peter Krötz
Hartmut Abele 23
Schwierigkeiten:
- Relativgeschwindigkeiten durch Erddrehung von ~ 400 m/s
- Radialgeschwindigkeiten durchElliptizität der Mondbahn von ~50m/s
- Atmosphärischer Brechungsindex 1 Verspätung des Lasers um 1,6m
- Temperatur-, Druck- und Luftfeuchtigkeitsmessungen um atmosph. Störungen zu modellieren (Modellungenauigkeit 3mm bei <10° Höhe, submm bei über 25° über Horizont
- Messungen zu 3 verschiedenen Reflektoren um genaue Orientierung zu erlangen
- Gezeitenkräfte verzerren Oberfläche: Mond ~10cm Erde ~35cm alle 12 Stunden;
Gravimetermessungen mit 0,1mm Genauigkeit
- Hochdruck und starker Regen können die Kruste um weitere Millimeter verzerren
Seminarvortrag Peter Krötz
Hartmut Abele 24
)1()( /21 rermmGrV
Hartmut Abele 25
AUFBAU
hinge reibungsloses Scharnier (Feder), bietet Schutz vor Beschädigung durch
Stößezero length spring Aufhängung,
Justierverbindung zur Messablesunglevers Justierhebelmicrometer Präzisionsschraubegear box Übersetzungsgetriebemass Testmasse
3.2.2. EXPERIMENT – AUFBAU: ERLÄUTERUNG b3.2.2. EXPERIMENT – AUFBAU: ERLÄUTERUNG b
Seminarvortrag Christoffer Heinz
Hartmut Abele 26
Über die auf einer Kugel bekannten Potentialverteilungen – innerhalb einesbestimmten Raumwinkels – lässt sich nach Jackson (1975), S. 63 dasPotential eines Punktes außerhalb dieser Kugel berechnen.
In Analogie wurde der g-Faktor über eine Verteilung bekannter g-Faktorenauf unserer Erdoberfläche berechnet. Die Erde konnte dabei hinsichtlichder vorherigen Modifizierungen der Ortsfaktoren kugelförmig angenommenwerden:
0
0 23
22
2
0
222
]cos)(2)([
),,0(sin
)(])[(
41)(
zRRzRR
gdd
zRRzRRzg
erderderderd
ge
erd
erderderdth
0r
erdR
zRerd
Skizze II
Seminarvortrag Christoffer Heinz
Hartmut Abele 27
Hartmut Abele 28
Eöt-WashEöt-WashApparaturApparatur
Apparatur besteht aus einer kontinuierlich rotierenden Torsions-waage und einem mitrotierenden optischen System, alles auf einem Drehtisch installiert.
Periodendauer: 36-60 min Draht und Pendel im
Vakuum. Draht auf konstanter Temperatur, da T; T=-1,3 4,8 µK
Helmholtzspulen sorgen für homogenes Magnetfeld
Seminarvortrag W. Unger
Hartmut Abele 29
Eöt-WashEöt-WashAutokollimatorAutokollimator
Eckspiegel sorgt dafür, dass nur die horizontale Komponente gemessen werden muss.
/4 Plättchen dreht Polarisationsebene, damit nur das gespiegelte Licht in den Photodetektor gelangt.
Das Vakuum-Fenster ist verkippt, damit keine Totalreflexion in Strahlrichtung auftritt.
Seminarvortrag W. Unger
Hartmut Abele 30
Das Eöt-Wash Experiment Das Eöt-Wash Experiment VerbesserungenVerbesserungen
TILT-Correction: Durch Gezeitenkräfte und Seismische Einflüsse verkippt der Erdboden um
wenige µRad (TILT) Dies verursachte einen systematischen Fehler von -31,3 0,6 10-13
Er konnte behoben werden, indem die Verkippung durch Gegensteuern nicht größer als 0,1 µRad sein darf. Hierzu wurde der Drehtisch auf kleinen Kugeln gelagert, die wiederum auf durch Erwärmen in der Höhe stuerbaren Klötzen standen.
Vakuum kleiner als 10-6 Torr (Ionenpumpe) Auslesen des Pendels wurde verbessert durch Ersetzen einer LED durch
einen 780 nm laser, bzw des Strahlteilers durch eine Polarisations-empfindliche Einheit. Höhere Konstanz der Rotationsrate
Seminarvortrag W. Unger
Hartmut Abele 31
Das Eöt-Wash ExperimentDas Eöt-Wash ExperimentResonanzkurveResonanzkurve
Resonanz-frequenz des Pendels: 1,2 mHz
Spitzen bei Vielfache von 0,9mHz durch Gradienten
Interne Dämpfung durch Verlust am Faden
1/f Rauschen durch Gitter-schwingungen, kTVDraht
Seminarvortrag W. Unger
Hartmut Abele 32
1/r Test1/r Test
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Hartmut Abele 34
Hartmut Abele 35
Hartmut Abele 36
ErgebnisseErgebnisse
Hartmut Abele 37
Das Eöt-Wash Experiment Das Eöt-Wash Experiment TestmassenTestmassen
Beide Testkörper haben ein Gewicht von 10.04 g
Beide Testmassen haben die gleichen Abmessungen.Die Testmassen sind innen hohl.
EK-Testkörper: rostfreier Stahl Legierung, genaustens demagnetisiert.
MM-Testkörper: Quartz und Magnesium-Legierung
Die Massenverteilung der Testkörper ist so gestaltet, dass die Multipole l=2 unbedeutend klein sind und l=4 bei beiden Massen identisch sind.
Seminarvortrag W. Unger
Hartmut Abele 38
Das Eöt-Wash Experiment Das Eöt-Wash Experiment PendelPendel Alles wurde vergoldet, um
Elektrostatische Effekte auszuschließen.
Torsionswaage spricht nur auf Horizontalkomponente von Differenzbeschleunigung an.
Es ist nötig, den Winkel zwischen Torsionspendel und Attraktor zu modulieren.
Zwei Möglichkeiten: Pendel rotiert, oder Attraktor rotiert um Instrument herum (z.B. bei 238U)
Eine Verletzung des WEP würde auf das Pendel ein sinusförmig moduliertes Drehmoment ausüben.
Seminarvortrag W. Unger
Hartmut Abele 39
Das Eöt-Wash Experiment Das Eöt-Wash Experiment ErgebnisseErgebnisse
Das WEP (genauer UFF) wurde unter folgenden Umständen getestet:
Die Erde als Attraktor; Be, Al, Cu und Si Testkörper. Die Sonne als Attraktor; Be, Al, Cu und Si Testkörper. Mit diesem Ergebnis
wurde das Lunar Laser Ranging ergänzt. Das Zentrum der Galaxie als Attraktor; Be, Al, Cu and Si Testkörper attracted
toward the center of our Galaxy. Ziel dieses Experiments war es zu testen, ob Gravitation die einzige Wechselwirkung zwischen dunkler und gewöhnlicher Materie ist. Das Ergebnis bestätigt dies für galaktische dunkle Materie. Es wird ein Eöt-Wash III Instrument entwickelt, mit dem dies auch für kosmologische dunkle Materie überprüft werden soll. (Die wirksamen Beschleunigungen sind noch kleiner, daher müssen die Geräte empfindlicher sein.)
3 Tonen massives 238U als Attraktor, Cu and Pb Testkörper. Ziel war es, das UFF auf kleinen Distanzen zu prüfen (bis auf 1 cm) und hierbei einen Attraktor zu wählen mit einem ganz anderen Verhältnis N/Z als die Erde.
Seminarvortrag W. Unger
Hartmut Abele 40
Das Lunar Laser RangingDas Lunar Laser RangingDer Nordtvedt-EffektDer Nordtvedt-Effekt
Das Lunar Laser Ranging wurde von Baierlein vorgeschlagen um die ART zu testen.
Nordtvedt erkannte die Möglichkeit, damit insbesondere das Äquivalenzprinzip zu testen.
Hartmut Abele 41
Rb Atoms Bouncing Rb Atoms Bouncing in a Stable Gravitatonial Cavityin a Stable Gravitatonial Cavity
E. Hinds et al.,Yale, Imperial College London
E. Hinds et al.,Yale, Imperial College
Hartmut Abele 42
Dipole Traps on Atom Chip
Bloch Oscillations on an Chip
Hartmut Abele 43
Dipole Trap on Atom ChipDipole Trap on Atom Chip
1d magnetic chip trap
Create a dipole trap on an atom chip by reflecting a laser beam off the chip surface
2d tap with trans~120 kHz, plane~100HzGallego, Schmiedmayer et al.
Hartmut Abele 44
Bloch Oszillation on ChipBloch Oszillation on Chipbouncingbouncing BEC BEC
Look at the evolution of a BEC in the standing wave depending on the hold time
posi
ti on
hold time
Gallego, Schmiedmayer et al.