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

Hartmut Abele 33

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.