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《Eur. Phys. J. C》刊登申文斌教授团队空间站引力红移实验检验方法

时间:2021-07-23 来源:科研与学科建设办公室 点击:
        近日,测绘学院申文斌教授领导的武汉大学时频地测研究团队在欧洲物理杂志C (Eur. Phys. J. C 81, 634, 2021) 上发表最新研究成果,论文题为“Test of gravitational red-shift based on tri-frequency combination of microwave frequency links”。测绘遥感信息工程国家重点实验室博士研究生孙骁为第一作者,申文斌教授为唯一通讯作者。
        引力红移是广义相对论的三大预言之一,对其进行高精度的检验一直以来都是科学界的重大研究主题,因为相对论是近代物理学两大支柱之一 (另一支柱是量子力学)。根据广义相对论,由引力位低处向引力位高处发射电磁波,在高位处接收到的电磁波频率会变小,即引力红移。
        自上个世纪以来,已有很多学者提出了检验引力红移的方法并进行实验,但直到目前检验的精度都不高。研究团队提出了一种基于空间站微波链路三频组合法的引力红移检验方法 (简称引力红移检验三频组合法),预期的检验精度至少达到2×10-6水平,比目前国际上最高精度高一个半数量级。该方法可用于欧洲国际空间站ACES计划(预计2021年实施)和中国空间站高精度时频实验舱计划(2022年实施)。以往的微波时频传递方法通常采用时间比对,而武汉大学时频地测研究团队提出的方法是采用频率比对。与时间比对相比,频率比对无需复杂的模糊度解算,并且可以测量出瞬时频率,不需要长时间的时间累积。为了达到较高的检验精度,研究团队在提出的模型中将相对论引力红移效应精确到了c-3 精度水平 (c是真空中光速),并且建立了适用于空间站对地频率信号链路的电离层频移、对流层频移、折射频移、二阶多普勒频移、Shapiro效应、潮汐效应等修正模型。模拟实验表明,引力红移检验三频组合法可以满足ACES计划的需求,也为更高精度水平的中国空间站时频信号链路引力红移实验检验奠定了基础。


文献参考:Sun X, Shen WB, Shen Z, Cai C, Xu W, Zhang P. Test of gravitational red-shift based on tri-frequency combination of microwave frequency links. Eur. Phys. J. C 81, 634 (2021). https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-09415-y.