GAME is a scientific project proposed by the Osservatorio Astronomico of Pino Torinese. It is a concept study of a spatial mission whose main scientific goal is the measurement of the parameter γ. A quantity which defines the coupling of curvature to matter in the so-called Parametrized Post-Newtonian (PPN) formalism. According to Einstein's General Relativity γ=1, but other metric theories of gravity predict different values. An accurate estimation of this quantity, constraining the range of validity of several potentially viable gravitational theories, can have an important impact on the fields of fundamental physic and cosmology. GAME is inspired by the Dyson, Eddington and Davidson experiment of 1919 which first put General Relativity to test measuring the positions of some stars during a solar eclipse. In particular, the value of γ depends on the deflection of light induced by the mass of a perturbing body, so the basic idea is to measure the light deflection by comparing the angular distances of selected stars close to the solar limb measured in two different epochs (when Sun is between stars and when is far away from the stellar fields). For a star grazing the solar limb the deflection is (1+γ)/2x1".75. The GAME concept considers a telescope orbiting around the Earth following a Sun-synchronous polar orbit at 1500 km, since astrometric measurements from space can overcome the technical difficulties imposed by the atmosphere, while the problem of observing close to the Sun can be mitigated by using baffling techniques. The actual choice for the instrumental configuration allow a nominal astrometric error on a single measurement less than 1 mas for star with R<16 mag and 100 s exposure. For stars at 2° from Sun center deflection is 0''.2 so a single deflection measurement has a relative error of about 10-3. The target accuracy on γ is of the order of 10^-6-10^-7, i.e. 1 or 2 orders better than actual experiments. The goal of this thesis work is to assess the nominal mission accuracy on this parameter by means of several Montecarlo run of a software which can simulate the satellite measurements. These tests are a upgrade of previous ones under more realistic constraints for the simulations. Specifically, the tests are run using real stellar distribution obtained from the GSCII catalog. Moreover, another program prepared for this thesis allows to produce a fast analysis of the distribution of the observed stars in order to find the best starting parameters for the mission. Results confirm that an accuracy of ~ 2x10^-6 is achievable, 3 times better than previous tests. Other improvements can be reached with a further refinement of the observing strategy.
GAME è un progetto scientifico proposto dall'Osservatorio Astronomico di Pino Torinese. Si tratta di una missione spaziale allo studio il cui obiettivo principale è la misura del parametro PPN γ. In una descrizione relativistica dell'interazione gravitazionale la massa incurva lo spazio-tempo: γ mette in relazione curvatura dello spazio-tempo e sorgente del campo gravitazionale. Per la Relatività Generale γ=1 mentre non è necessariamente vero per alternative teorie metriche della gravitazione. Una sua precisa misura consentirebbe di porre dei vincoli stringenti sulle teorie gravitazionali ed avrebbe conseguenze importanti in ambito di fisica fondamentale ed in campo cosmologico. Ispirandosi all'esperimento di Dyson Eddington e Davidson del 1919, da una misura dell'effetto di deflessione gravitazionale è possibile stimare γ. Misurando e confrontando la distanza angolare (archi) tra stelle appartenenti a campi stellari opportunamente selezionati in prossimità del bordo solare in due epoche differenti (quando il Sole si trova tra i campi e quando il Sole è sufficientemente lontano da questi) si ottiene una misura della deflessione. La deflessione (e cioè la differenza tra gli archi misurati nelle due epoche) dipende dalla distanza dell'osservatore dal Sole e dalla posizione delle stelle rispetto a questo. Per stelle che sfiorano il bordo solare la deflessione vale (1+γ)/2x1".75. La proposta per GAME è un telescopio in orbita polare a 1500 km da Terra. Tale scelta consente di avere un guadagno sensibile sulle prestazioni astrometriche rispetto alle misurazioni ottiche effettuate da esperimenti precedenti condotti da Terra. Inoltre, scegliendo un'orbita opportuna è possibile massimizzare i tempi di realizzazione delle misure (rispetto alla durata della missione e compatibilmente con obiettivi secondari) in quanto, schermando efficientemente la luce solare, non è necessario attendere eclissi totali per osservare le stelle quando si trovano dietro al Sole. La configurazione strumentale attuale consente di avere un errore di misura nominale inferiore al mas per stelle brillanti (R<16 mag) e per pose di 100 s. Per stelle poste a 2° dal Sole, dove si ha una deflessione di circa 0''.2, questo significa che è possibile misurare la deflessione con un errore relativo di 10^-3 su una singola misura. Dunque l'errore che si commette sulla stima del γ è della stessa entità, in quanto è possibile trascurare il contributo delle altre grandezze che determinano il parametro. L'obiettivo è misurare γ con un'accuratezza di 10^-6-10^-7, ovvero da 1 a 2 ordini di grandezza meglio degli attuali risultati sperimentali. Il lavoro di tesi consiste nella realizzazione di test Montecarlo sul rumore astrometrico di misura per quantificare le prestazioni nominali della missione. I test effettuati sono un'evoluzione di test precedenti ed implementano condizioni di maggiore realismo. Nello specifico costruiscono le osservazioni attuabili con il telescopio utilizzando la distribuzione reale di stelle. Per ottimizzare l'esecuzione dei test è stato scritto un programma di analisi del catalogo stellare da cui sono stati estrapolati i dati stellari. Il risultato dell'analisi determina la zona di cielo su cui effettuare i test. I test confermano la realizzabilità dell'obiettivo: l'accuratezza ottenuta sul parametro è circa 2x10^-6, circa 3 volte meglio delle simulazioni precedenti. Sembra possibile ottenere ulteriori progressi aggiornando la strategia osservativa.
Test astrometrici di Relatività Generale col progetto GAME
DONATI, PAOLO
2008/2009
Abstract
GAME è un progetto scientifico proposto dall'Osservatorio Astronomico di Pino Torinese. Si tratta di una missione spaziale allo studio il cui obiettivo principale è la misura del parametro PPN γ. In una descrizione relativistica dell'interazione gravitazionale la massa incurva lo spazio-tempo: γ mette in relazione curvatura dello spazio-tempo e sorgente del campo gravitazionale. Per la Relatività Generale γ=1 mentre non è necessariamente vero per alternative teorie metriche della gravitazione. Una sua precisa misura consentirebbe di porre dei vincoli stringenti sulle teorie gravitazionali ed avrebbe conseguenze importanti in ambito di fisica fondamentale ed in campo cosmologico. Ispirandosi all'esperimento di Dyson Eddington e Davidson del 1919, da una misura dell'effetto di deflessione gravitazionale è possibile stimare γ. Misurando e confrontando la distanza angolare (archi) tra stelle appartenenti a campi stellari opportunamente selezionati in prossimità del bordo solare in due epoche differenti (quando il Sole si trova tra i campi e quando il Sole è sufficientemente lontano da questi) si ottiene una misura della deflessione. La deflessione (e cioè la differenza tra gli archi misurati nelle due epoche) dipende dalla distanza dell'osservatore dal Sole e dalla posizione delle stelle rispetto a questo. Per stelle che sfiorano il bordo solare la deflessione vale (1+γ)/2x1".75. La proposta per GAME è un telescopio in orbita polare a 1500 km da Terra. Tale scelta consente di avere un guadagno sensibile sulle prestazioni astrometriche rispetto alle misurazioni ottiche effettuate da esperimenti precedenti condotti da Terra. Inoltre, scegliendo un'orbita opportuna è possibile massimizzare i tempi di realizzazione delle misure (rispetto alla durata della missione e compatibilmente con obiettivi secondari) in quanto, schermando efficientemente la luce solare, non è necessario attendere eclissi totali per osservare le stelle quando si trovano dietro al Sole. La configurazione strumentale attuale consente di avere un errore di misura nominale inferiore al mas per stelle brillanti (R<16 mag) e per pose di 100 s. Per stelle poste a 2° dal Sole, dove si ha una deflessione di circa 0''.2, questo significa che è possibile misurare la deflessione con un errore relativo di 10^-3 su una singola misura. Dunque l'errore che si commette sulla stima del γ è della stessa entità, in quanto è possibile trascurare il contributo delle altre grandezze che determinano il parametro. L'obiettivo è misurare γ con un'accuratezza di 10^-6-10^-7, ovvero da 1 a 2 ordini di grandezza meglio degli attuali risultati sperimentali. Il lavoro di tesi consiste nella realizzazione di test Montecarlo sul rumore astrometrico di misura per quantificare le prestazioni nominali della missione. I test effettuati sono un'evoluzione di test precedenti ed implementano condizioni di maggiore realismo. Nello specifico costruiscono le osservazioni attuabili con il telescopio utilizzando la distribuzione reale di stelle. Per ottimizzare l'esecuzione dei test è stato scritto un programma di analisi del catalogo stellare da cui sono stati estrapolati i dati stellari. Il risultato dell'analisi determina la zona di cielo su cui effettuare i test. I test confermano la realizzabilità dell'obiettivo: l'accuratezza ottenuta sul parametro è circa 2x10^-6, circa 3 volte meglio delle simulazioni precedenti. Sembra possibile ottenere ulteriori progressi aggiornando la strategia osservativa.| File | Dimensione | Formato | |
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