I nya studier publicerade i Physical Review Letters och ett specialnummer av Classical and Quantum Gravity den 14 september presenterar ett team av forskare det mest exakta testet hittills av Weak Equivalence Principle, en nyckelkomponent i den allmänna relativitetsteorin. Rapporten beskriver de slutliga resultaten från MICROSCOPE-uppdraget, som testade principen genom att mäta accelerationer av fritt fallande föremål i en satellit som kretsar runt jorden. Teamet fann att accelerationerna för par av objekt inte skiljde sig mer än ungefär en del på 10 ¹⁵ utesluta eventuella brott mot den svaga ekvivalensprincipen eller avvikelser från den nuvarande förståelsen av allmän relativitet på den nivån.

"Vi har nya och mycket bättre begränsningar för alla framtida teorier, eftersom dessa teorier inte får bryta mot likvärdighetsprincipen på den här nivån", säger Gilles Métris, en forskare vid Côte d'Azur-observatoriet och medlem av MICROSCOPE-teamet.

Teorin om allmän relativitet, publicerad av Albert Einstein 1915, beskriver hur gravitationen fungerar och relaterar till tid och rum. Men eftersom det inte tar hänsyn till observationerna av kvantfenomen letar forskare efter avvikelser från teorin med ökande precisionsnivåer och i olika situationer. Sådana kränkningar skulle föreslå nya interaktioner eller krafter som skulle kunna förena relativitetsteori med kvantfysik. Att testa Weak Equivalence Principle (WEP) är ett sätt att leta efter potentiella expansioner till allmän relativitetsteori.

Enligt WEP faller föremål i ett gravitationsfält på samma sätt när inga andra krafter verkar på dem, även om de har olika massor eller sammansättning. För att testa principen designade MICROSCOPE-teamet sitt experiment för att mäta Eötvös-förhållandet – som relaterar accelerationerna för två fritt fallande föremål – med extremt hög precision. Om accelerationen för ett objekt skiljer sig från det andras med mer än ungefär en del på 10 ¹⁵ , skulle experimentet mäta det och upptäcka detta brott mot WEP.

För att mäta Eötvös-förhållandet övervakade forskarna accelerationerna av testmassor av platina och titanlegering när de kretsade runt jorden i MICROSCOPE-satelliten. Det experimentella instrumentet använde elektrostatiska
krafter för att hålla par av testmassor i samma position i förhållande till varandra och letade efter potentialskillnader i dessa krafter, vilket skulle tyda på skillnader i objektens accelerationer.

En stor utmaning med experimentet var att hitta sätt att testa instrumentet på jorden för att se till att det skulle fungera som designat i rymden. "Svårigheten är att instrumentet vi lanserar inte kan fungera på marken", säger Manuel Rodrigues, en vetenskapsman vid det franska flyglabbet ONERA och medlem av MICROSCOPE-teamet. "Så det är ett slags blindtest."

När instrumentet var klart lanserade teamet det 2016. De släppte preliminära resultat 2017, men de fortsatte att analysera data, med hänsyn till brister och systematiska osäkerheter, efter att uppdraget avslutades 2018. De fann till slut ingen överträdelse av WEP , sätter de strängaste begränsningarna för principen hittills.

Teamets arbete banar väg för ännu mer exakta tester av WEP med satellitexperiment. Deras analys inkluderar sätt att förbättra den experimentella uppställningen, som att minska knaster i satellitbeläggningen som påverkade accelerationsmätningarna och att ersätta ledningar i installationen med kontaktlösa enheter. Ett satellitexperiment som implementerar dessa uppgraderingar bör kunna mäta potentiella överträdelser av WEP på nivån en del av 10 ¹⁷ , säger forskarna. Men MIKROSKOP-resultaten kommer sannolikt att förbli de mest exakta begränsningarna för WEP ett tag.

"Under minst ett decennium eller kanske två ser vi ingen förbättring med ett rymdsatellitexperiment," säger Rodrigues. + Utforska vidare

Galileos experiment med fritt fallande föremål klarar rymdtestet vilket ytterligare bevisar ekvivalensprincipen