Реализация
Для успеха эксперимента необходимы шесть основных ингредиентов.
- стабильный гироскоп, отклоняющийся от своей оси не более чем на 0.00000000001 градуса в час. - способ измерить направление его вращения с точностью до 0.1 угловой миллисекунды, не внося помех вращению. - телескоп и механическая система, позволяющая отсчитывать угол от направления на выбранную звезду. - достаточно яркая звезда, собственное движение которой точно известно. - схема анализа измерений, разделяющая эффект различных воздействий на гироскоп. - внутренняя система калибрации устройства, определяющая отсутствие погрешностей механизма.
Все эти условия были выполнены, причём наиболее трудным оказалось четвёртое.
Инструмент в принципе очень прост. Это полуметровый кварцевый контейнер, на котором установлен кварцевый телескоп, а внутри содержатся четыре гироскопа. Он находится в почти 3-х метровом "термосе", поддерживающем температуру в 1.8 градуса выше абсолютного нуля в течение двух лет. Зонд выводится на круговую орбиту высотой 400 миль, проходящую над полюсами Земли. Все гироскопы ориентированы на одну и ту же звезду (HR8703, IM Пегаса), причём два вращаются по часовой стрелке, а два - против.
Роторами гироскопов служат кварцевые шарики размером в мяч для пинг-понга, покрытые тонким слоем металла ниобия. Это - самые круглые объекты не только на Земле, но и на многие световые года вокруг. Их отклонение от формы шара не превышает 40 атомных слоёв. Только нейтронные звёзды ближе к шаровой форме, чем эти куски кварца.
Шары вращаются со скоростью 10000 оборотов в минуту внутри сферических кварцевых оболочек с зазором около 0.02 мм. Они не насажены на ось, а поддерживаются электромагнитным полем, которое не позволяет им сдвигаться больше, чем на стотысячную долю сантиметра. Шары разгоняются (после вывода на орбиту) потоком гелия, подводимого к ним на околозвуковой скорости. Разгон занимает около получаса, после чего газ выкачивается до состояния, более разрежённого, чем вакуум за бортом корабля. Вращаясь в такой среде, гироскопы потеряют лишь 1% скорости за 1000 лет.
Направление оси вращения измеряется с помощью сверхпроводимого кольца, окружающего гироскоп. Внешние электромагнитные поля устраняются при помощи четырёх свинцовых оболочек, вложенных друг в друга и охлаждённых до состояния сверхпроводимости. (Сверхпроводники непроницаемы для магнитных полей.) Как уже было сказано, прибор ориентируется на заданную звезду через телескоп. Однако звезды - не точки, например, HR8703 имеет угловой размер в 1.3 миллисекунды. Кроме того, дифракция приводит к расплыванию её наблюдаемого диска до 1400 миллисекунд. Фотодетекторы анализируют изображение звезды, определяя его центр с точностью до долей миллисекунды.
Вряд ли стоит описывать все трудности, возникшие и решённые в ходе этого уникального проекта. Как когда-то сказал Frank McDonald, теперь уже бывший научный директор НАСА, это "самый трудный проект, который НАСА проведёт в этом тысячелетии". Действительно трудный, раз одного тысячелетия оказалось мало.
По материалам от Стэнфордского университета