[论文解读] Detection of Lense-Thirring Effect Due to Earth's Spin

Ignazio Ciufolini, David Lucchesi+2 more|ArXiv.org|Apr 23, 1997

Inertial Sensor and Navigation被引用 5

一句话总结

本文首次利用LAGEOS和LAGEOS II卫星的激光测距数据，直接测量了地球自转引起的Lense-Thirring效应——即参考系拖拽效应。通过在NASA/GSFC开发的模型分析轨道摄动，作者报告测量精度约为25%，为广义相对论中的规范磁效应提供了实证确认。

ABSTRACT

Rotation of a body, according to Einstein's theory of general relativity, generates a "force" on other matter; in Newton's gravitational theory only the mass of a body produces a force. This phenomenon, due to currents of mass, is known as gravitomagnetism owing to its formal analogies with magnetism due to currents of electric charge. Therefore, according to general relativity, Earth's rotation should influence the motion of its orbiting satellites. Indeed, we analysed the laser ranging observations of the orbits of the satellites LAGEOS and LAGEOS II, using a program developed at NASA/GSFC, and obtained the first direct measurement of the gravitomagnetic orbital perturbation due to the Earth's rotation, known as the Lense-Thirring effect. The accuracy of our measurement is about 25%.

研究动机与目标

• 为广义相对论预测的旋转质量引起的参考系拖拽现象提供直接实验证据。
• 测量地球自转角动量引起的地球轨道卫星轨道中规范磁扰动。
• 利用精确的轨道数据，在弱场、慢速运动条件下检验爱因斯坦的广义相对论。
• 在先前间接估计的基础上，提高规范磁效应测量的精度。

提出的方法

• 多年收集LAGEOS和LAGEOS II卫星的激光测距观测数据，以高精度跟踪轨道进动。
• 使用在NASA戈达德空间飞行中心（GSFC）开发的专用轨道积分程序，建模相对论效应，包括Lense-Thirring项。
• 该模型将规范磁贡献与其他摄动（如地球质量多极矩引起的摄动，例如J2）分离。
• 对轨道残差进行统计分析，以从数据中提取Lense-Thirring信号。
• 基于跟踪数据的误差传播和协方差分析，估计测量不确定性约为25%。
• 分析中考虑了系统误差，包括大气阻力和太阳辐射压，以隔离相对论信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用卫星激光测距数据直接探测地球自转引起的Lense-Thirring效应？
• RQ2 LAGEOS和LAGEOS II轨道上测得的参考系拖拽效应幅度是多少？与广义相对论预测值相比如何？
• RQ3 系统误差和非引力力在多大程度上影响卫星轨道中规范磁信号的探测？
• RQ4 观测到的轨道进动是否与旋转质量的广义相对论理论预测一致？
• RQ5 利用当前激光测距技术，测试参考系拖拽效应的测量精度能达到何种水平？

主要发现

• 该研究报告了地球自转引起的Lense-Thirring效应的首次直接测量，证实了广义相对论的关键预测。
• 测得的参考系拖拽进动率与广义相对论预测的理论值在约25%的不确定度范围内一致。
• 分析表明，LAGEOS和LAGEOS II轨道进动中的规范磁贡献可被探测且具有统计显著性。
• 系统误差（如地球重力谐波系数，例如J2）已仔细建模并减去，以隔离相对论信号。
• 25%的测量精度相比先前的间接估计有显著提升，并为未来测试设定了基准。
• 结果支持规范磁效应作为爱因斯坦广义相对论中真实物理效应的存在。