AbstractThe OPTIS satellite mission is an international collaboration initiated by three German University institutes aiming at improving tests regarding the foundations of Special and General Relativity. The mission idea – which has already passed the state of the initial feasibility study – is to contribute to the most challenging project of physics in this century – the search for a Theory of Quantum Gravity. This theory should resolve the incompatibilities between the quantum theory and Einstein's General Relativity. All approaches for a Quantum Gravity Theory predict small deviations from Special and General Relativity. If such deviations could be found (e.g. an anisotropy of the speed of light, violations of the universality of gravitational red shift or of the universality of free fall) the way to a new understanding of the time and space structure of the universe would be open. Therefore the goal of the OPTIS satellite mission is an accuracy improvement of tests regarding the foundations of Special and General Relativity by up to three orders of magnitude. For that purpose several experiments will be carried out on board the OPTIS satellite testing (i) the isotropy of the speed of light, (ii) the independence of the speed of light from the velocity of the laboratory system, (iii) the universality of the gravitational redshift, (iv) the absolute gravitational redshift and (v) the special relativistic time-dilation. Furthermore, orbit analyses will be done in order to measure (vi) the Lense–Thirring effect and (vii) perigee advance as well as to test (viii) the Newtonian 1 r gravitational potential. The benefit from bringing these experiments into space is the nearly disturbance free environment allowing precise measurements and large measurement times. The OPTIS mission will use already available key technologies like optical cavities, highly stabilised lasers, atomic clocks, frequency combs, capacitive gravitational reference sensors, drag-free control, laser tracking and laser linking systems. For most of the proposed tests the measurements are done by comparing the rates of different clocks. For the test of the isotropy of the velocity of light (Michelson–Morley experiment) the frequencies of resonators (‘light clocks’) pointing in different directions are compared. Concerning the constancy of the speed of light (Kennedy–Thorndike experiment) a resonator and atomic clocks under varying velocities are compared. For tests of the time dilation the rates of clocks in different states of motion and for testing the universality of the gravitational redshift clocks at different positions in the gravitational field are compared. This paper will give an overview about the OPTIS satellite mission, including the science goals, science requirements, key technologies, measurement principles and devices.

    ZusammenfassungDie OPTIS Satellitenmission ist eine internationale Zusammenarbeit, die von drei deutschen Universitätsinstituten initiiert wurde. Das Hauptziel des Projektes ist die Durchführung verbesserter Tests der Grundlagen der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie im Weltraum. Die Missionsidee – welche bereits das Stadium der ersten Machbarkeitsstudie passiert hat – ist es, einen Beitrag zum anspruchvollsten Projekt der Physik unseres Jahrhunderts zu leisten – der Suche nach einer Quantengravitationstheorie. Diese Theorie sollte die Unstimmigkeiten zwischen der Quantentheorie und der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie lösen. Alle Ansätze für solch einen Quantengravitationstheorie sagen kleine Abweichungen von der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie voraus. Wenn solche Abweichungen gefunden werden könnten (z.B. eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit, Verletzungen der Universalität der gravitativen Rotverschiebung oder der Universalität des Freien Falls), wäre der Weg für ein neues Verständnis der Raum-Zeit-Struktur unseres Universums geöffnet. Daher ist das Ziel der OPTIS Satellitenmission eine Genauigkeitsverbesserung der Tests zu den Grundlagen der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie um bis zu drei Größenordnungen. Um dieses Ziel zu erreichen werden verschiedene Experimente an Bord des OPTIS Satelliten durchgeführt werden. Dies sind Tests zur (i) Isotropie der Lichtgeschwindigkeit, (ii) Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit des Laborsystems, (iii) Universalität der gravitativen Rotverschiebung, (iv) absoluten gravitativen Rotverschiebung und (v) zur speziellen relativistischen Zeitdilatation. Weiterhin werden Orbitanalysen durchgeführt um (vi) den Lense–Thirring Effekt, (vii) die Perigäumsänderung sowie (viii) das Newtonsche 1 r Gravitationspotential zu vermessen. Die Vorteile, diese Experimente im Weltraum durchzuführen, sind die fast vollkommen störungsfreie Umgebung, die hochgenaue Messungen erlaubt und die großen möglichen Messzeiten. Die OPTIS Mission wird schon vorhandene Schlüsseltechnologien wie optische Kavitäten, hochstabilisierte Laser, Atomuhren, Frequenzkämme, kapazitive Gravitationsreferenzsensoren, Drag-free Regelung, Laser-Abstandsmessung und Laserlink-Systems verwenden. Bei den meisten der vorgeschlagenen Tests beruhen die Messungen auf Uhrenvergleichen. Für den Test der Isotropie der Lichtgeschwindigkeit (Michelson–Morley Experiment) werden die Frequenzen von zwei orthogonal zueinander angeordneten optischen Resonatoren (‘Lichtuhren’) verglichen. Beim Experiment zur Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (Kennedy–Thorndike Experiment) werden die Frequenzen eines optischen Resonators und einer Atomuhr unter verschiedenen Geschwindigkeiten verglichen. Für die Tests zur Zeitdilatation werden die Frequenzen von Uhren in verschiedenen Bewegungszuständen verglichen und für den Test zur Universalität der gravitativen Rotverschiebung werden Uhren an verschiedenen Positionen im Gravitationsfeld verglichen. Dieser Artikel gibt eine Übersicht über die OPTIS Satellitenmission, inklusive ihrer wissenschaftlichen Zielsetzungen, die Wissenschaftsanforderungen, Schlüsseltechnologien sowie Messprinzipien und Messaparaturen.


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    Title :

    The OPTIS satellite – improved tests of Special and General Relativity


    Additional title:

    Der OPTIS Satellit – Verbesserte Tests der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie


    Contributors:

    Published in:

    Publication date :

    2005-03-14


    Size :

    9 pages




    Type of media :

    Article (Journal)


    Type of material :

    Electronic Resource


    Language :

    English





    OPTIS satellite mission for improved tests of special and general relativity-Concept for a technology reference mission

    Dittus, H. / Lammerzahl, C. / Peters, A. et al. | British Library Conference Proceedings | 2006



    OPTIS Satellite Mission for Improved Tests of Special and General Relativity - Concept for a Technology Reference Mission

    Dittus, H. / Lammerzahl, C. / Peters, A. et al. | British Library Conference Proceedings | 2003