Europas Galileo -satellitnavigationssystem - som redan betjänar användare globalt - har nu tillhandahållit en historisk tjänst till fysikgemenskapen över hela världen, möjliggör den mest exakta mätningen som någonsin gjorts av hur tyngdkraftsförändringar förändrar tiden, en nyckelelement i Einsteins teori om allmän relativitet.

Två europeiska grundläggande fysikteam som arbetar parallellt har oberoende uppnått en femfaldig förbättring av mätnoggrannheten för den gravitationstidsdrivna tidsutvidgningseffekten som kallas 'gravitationsrödförskjutning'.

Den prestigefyllda Fysiska granskningsbrev journal har just publicerat de oberoende resultaten från båda konsortierna, samlat från mer än tusen dagars data som erhållits från paret Galileo -satelliter i långsträckta banor.

"Det är enormt tillfredsställande för ESA att se att vår ursprungliga förväntan om att sådana resultat teoretiskt skulle vara möjliga nu har visat sig i praktiken, tillhandahåller den första rapporterade förbättringen av gravitationsrödförskjutningstestet i mer än 40 år, "kommenterar Javier Ventura-Traveset, Chef för ESA:s Galileo Navigation Science Office.

"Dessa extraordinära resultat har möjliggjorts tack vare de unika egenskaperna hos Galileo -satelliterna, särskilt de mycket höga stabiliteten hos deras inbyggda atomur, de noggrannheter som kan uppnås i deras omloppsbestämning och närvaron av laser-retroreflektorer, som möjliggör utförande av oberoende och mycket exakta banmätningar från marken, nyckel för att ta bort klock- och omloppsfel. "

Dessa parallella forskningsaktiviteter, känd som GREAT (Galileo gravitationsrödskiftningsexperiment med excentriska satellitter), leddes av SYRTE Observatoire de Paris i Frankrike och Tysklands ZARM Center of Applied Space Technology och Microgravity, samordnas av ESA:s Galileo Navigation Science Office och stöds genom dess grundläggande aktiviteter.

Glada resultat av en olycklig olycka

Dessa fynd är det lyckliga resultatet av en olycklig olycka:Galileosatelliterna 5 och 6 strandade 2014 i felaktiga banor av en felaktig Soyuz -övre etapp, blockera deras användning för navigering. ESA:s flygledare gick i aktion, utför en vågad bärgning i rymden för att höja de låga punkterna i satelliternas banor och göra dem mer cirkulära.

När satelliterna väl hade fått syn på hela jordskivan kunde deras antenner låsas i hemvärlden och deras navigeringsbelastning kunde verkligen slås på. Satelliterna används idag som en del av Galileos sök- och räddningstjänster medan deras integration som en del av de nominella Galileo -operationerna för närvarande håller på att utvärderas av ESA och EU -kommissionen.

Dock, deras banor förblir elliptiska, med varje satellit som klättrar och faller cirka 8500 km två gånger om dagen. Det var dessa regelbundna höjdförskjutningar, och därför tyngdkraftsnivåer, vilket gjorde satelliterna så värdefulla för forskarteamen.

Återskapar Einsteins förutsägelse

Albert Einstein förutspådde för ett sekel sedan att tiden skulle gå långsammare nära ett massivt föremål, ett fynd som sedan dess har verifierats experimentellt flera gånger – mest betydelsefullt 1976 när en vätemaser-atomklocka på Suborbital-raketen Gravity Probe-A sköts upp 10 000 km upp i rymden, bekräftar Einsteins förutsägelse inom 140 delar per miljon.

Faktiskt, Atomklockorna ombord på navigationssatelliter måste redan ta hänsyn till det faktum att de springer snabbare upp i omloppsbana än nere på marken – vilket motsvarar några tiondelar av en mikrosekund per dag, vilket skulle resultera i navigeringsfel på cirka 10 km dagligen, om det inte är rättat.

De två lagen förlitade sig på den stabila tidtagningen av de passiva vätgasmaser (PHM) -klockorna ombord på varje Galileo - stabila till en sekund på tre miljoner år - och höll sig från att drivas av det globala Galileo -marksegmentet.

"Det faktum att Galileo-satelliterna bär passiva vätemaserklockor, var avgörande för att dessa tester skulle kunna uppnås noggrannhet, "noterade Sven Hermann vid University of Bremen ZARM Center of Applied Space Technology and Microgravity.

"Medan varje Galileo -satellit bär två rubidium- och två vätgasmaser -klockor, bara en av dem är den aktiva överföringsklockan. Under vår observationstid, vi fokuserar sedan på den tid då satelliterna sänder med PHM -klockor och bedömer kvaliteten på dessa värdefulla data mycket noggrant. Pågående förbättringar i bearbetningen och i synnerhet modelleringen av klockorna, kan leda till skärpta resultat i framtiden. "

Förfina resultaten

En viktig utmaning under tre års arbete var att förfina gravitationsmåtten med rödskiftning genom att eliminera systematiska effekter som klockfel och orbital drift på grund av faktorer som jordens ekvatorialutbuktning, påverkan av jordens magnetfält, temperaturvariationer och till och med den subtila men ihållande tryckningen av själva solljuset, kallas 'solstrålningstryck'.

"Noggrann och konservativ modellering och kontroll av dessa systematiska fel har varit avgörande, med stabilitet ner till fyra pikosekunder under satelliternas 13 timmars omloppsperiod; detta är fyra miljoner av en miljonedel av en sekund, "Pacôme Delva från SYRTE Observatoire de Paris.

"Detta krävde stöd från många experter, med framför allt ESA:s expertis tack vare deras kunskap om Galileo -systemet. "

Exakt satellitspårning aktiverades av International Laser Ranging Service, lysande lasrar upp till Galileos retro-reflektorer för centimeterskala orbitalkontroller.

Stort stöd fick också från Navigation Support Office baserat på ESA:s ESOC operationscenter i Tyskland, vars experter genererade referensstabila klock- och omloppsprodukter för de två excentriska Galileo -satelliterna och också bestämde banornas restfel efter lasermätningarna.