阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预言,像地球这样的旋转质量会拖曳时空一起运动——这种现象被称为“参考系拖曳”或“伦斯-瑟林效应”。在我们这颗淡蓝色小点上测量它一直很棘手,因为地球比典型黑洞轻数百万倍,且自转速度缓慢。但由武汉物理与数学研究所的Ignazio Ciufolini领导的团队,现在仅以0.2%的不确定度测量了这一效应,这要归功于一颗看起来像高尔夫球和迪斯科舞厅球体结合的卫星。

这颗名为LARES-2(激光相对论卫星2号)的卫星由意大利航天局建造,是一个由Inconel 718合金制成的实心球体,表面覆盖303个后向反射器。它没有推进器、太阳能板或电子设备——只有质量。重294.8公斤,直径略超40厘米,它拥有中地球轨道卫星中最低的面积质量比,从而最小化了光子推力等非引力作用。它于2022年7月发射,位于约12,265公里高度。

团队向LARES-2发射地面激光,其反射器将光线直接反射回来。从2022年7月到2025年6月的大约20万次观测将其位置精确到1毫米以内。但地球的赤道隆起产生的牛顿力远远超过参考系拖曳。Ciufolini的解决方案是:使用两颗处于互补轨道的卫星——LARES-2和它的老前辈LAGEOS(1976年发射)——它们的轨道倾角之和为180.01度。牛顿扰动相互抵消,而相对论信号则叠加起来。

即便如此,K1日月潮——来自月球和太阳的引力扰动——威胁着精度。团队收集了跨越一个完整的1,050天进动周期的数据,平均掉了潮汐效应。在去除该潮汐和六个较小的潮汐分量后,他们发现了每年61.3毫角秒的干净漂移——这是时空扭曲的特征。该值与爱因斯坦的预测吻合,误差在千分之一到千分之二之间。

该测量还测试了Chern-Simons理论,这是一种量子引力替代理论,预测了不同的参考系拖曳。虽然未能排除它,但严重限制了其适用范围。额外收获:实验精确测量了K1潮汐的强度,这可能有助于地震研究。而LARES-2将继续提供数据数百年——因为没有什么比太空中的迪斯科球更能体现“长期承诺”了。