Часы тикают: демонстрация технологии, которая может изменить способ, которым люди исследуют космос, активна. Атомные часы Deep Space, разработанные Лабораторией реактивного движения НАСА в Пасадене, штат Калифорния, представляют собой серьезное обновление спутниковых атомных часов, которые, например, включают GPS на вашем телефоне.
В конечном счете, эта новая технология может сделать навигацию космических аппаратов в отдаленных местах, таких как Марс, более автономной. Но что такое атомные часы? Как они используются в космической навигации и чем отличаются атомные часы в глубоком космосе? Читайте дальше, чтобы получить все ответы.
Почему мы используем часы для навигации в пространстве?
Чтобы определить расстояние космического корабля от Земли, навигаторы посылают сигнал космическому кораблю, который затем возвращает его на Землю. Время, которое требуется сигналу для того, чтобы совершить это двустороннее путешествие, показывает расстояние космического корабля от Земли, поскольку сигнал распространяется с известной скоростью (скоростью света).
Хотя это может показаться сложным, большинство из нас используют эту концепцию каждый день. Продуктовый магазин может быть в 30 минутах ходьбы от вашего дома. Если вы знаете, что можете пройти около мили за 20 минут, то вы можете рассчитать расстояние до магазина.
Отправляя несколько сигналов и проводя много измерений во времени, навигаторы могут рассчитать траекторию космического корабля: где он находится и куда он направляется.
Большинство современных часов, от наручных часов до тех, которые используются на спутниках, сохраняют время с помощью кварцевого генератора. Эти устройства используют тот факт, что кристаллы кварца вибрируют с определенной частотой, когда на них подается напряжение. Вибрации кристалла действуют как маятник дедушкиных часов, отсчитывая, сколько времени прошло.
Чтобы узнать положение космического корабля в пределах метра, навигаторам нужны часы с точным временным разрешением - часы, которые могут измерять миллиардные доли секунды.
Навигаторам также нужны часы, которые чрезвычайно стабильны. «Стабильность» относится к тому, насколько последовательно часы измеряют единицу времени; например, его измерение длины секунды должно быть одинаковым (с точностью до одной миллиардной доли секунды) в течение дней и недель.
Какое отношение атомы имеют к часам?
По стандартам космической навигации кварцевые часы не очень стабильны. Уже через час даже самые эффективные кварцевые генераторы могут отключиться на наносекунду (одну миллиардную долю секунды). Через шесть недель они могут быть отключены на полную миллисекунду (одну тысячную секунды) или ошибку в расстоянии 185 миль (300 километров). Это оказало бы огромное влияние на измерение положения быстро движущегося космического корабля.
Атомные часы объединяют кварцевый генератор с ансамблем атомов для достижения большей стабильности. Атомные часы НАСА в глубоком космосе будут отключены менее чем на наносекунду через четыре дня и менее чем на микросекунду (одну миллионную секунды) через 10 лет. Это равносильно отключению всего на одну секунду каждые 10 миллионов лет.
Атомы состоят из ядра (состоящего из протонов и нейтронов), окруженного электронами. Каждый элемент периодической таблицы представляет собой атом с определенным количеством протонов в его ядре. Число электронов, роящихся вокруг ядра, может варьироваться, но они должны занимать дискретные энергетические уровни или орбиты.
Удар энергии - в форме микроволн - может заставить электрон подняться на более высокую орбиту вокруг ядра. Электрон должен получать точно необходимое количество энергии - то есть микроволны должны иметь очень специфическую частоту - чтобы совершить этот скачок.
Энергия, необходимая для того, чтобы электроны меняли орбиты, уникальна в каждом элементе и одинакова во всей вселенной для всех атомов данного элемента. Например, частота, необходимая для того, чтобы электроны в атоме углерода изменяли уровни энергии, одинакова для каждого атома углерода во вселенной. Атомные часы глубокого космоса используют атомы ртути; другая частота необходима, чтобы заставить эти электроны изменять уровни, и эта частота будет согласована для всех атомов ртути.
«Тот факт, что разность энергий между этими орбитами является такой точной и стабильной величиной, действительно является ключевым элементом для атомных часов», - сказал Эрик Берт, физик атомных часов в JPL. «Именно поэтому атомные часы могут достигать уровня производительности, превышающего механические часы».
Способность измерять эту неизменную частоту в определенном атоме предлагает науке универсальное стандартизированное измерение времени. («Частота» относится к числу волн, которая проходит определенную точку в пространстве в заданную единицу времени. Таким образом, путем подсчета волн можно измерять время.) Фактически, официальное измерение длины секунды определяется частотой, необходимой для того, чтобы электроны прыгали между двумя удельными энергетическими уровнями в атоме цезия.
В атомных часах частота кварцевого генератора преобразуется в частоту, которая применяется к совокупности атомов. Если полученная частота верна, это приведет к тому, что многие электроны в атомах изменят уровни энергии. Если частота неверна, гораздо меньше электронов будет прыгать. Это определит, является ли кварцевый генератор вне частоты и насколько. «Коррекция», определяемая атомами, может быть применена к кварцевому генератору, чтобы вернуть его к правильной частоте. Этот тип коррекции рассчитывается и применяется к кварцевому генератору каждые несколько секунд в атомных часах глубокого космоса.
Что уникального в атомных часах глубокого космоса?
Атомные часы используются на борту спутников GPS, которые вращаются вокруг Земли, но даже они должны посылать обновления два раза в день, чтобы исправить естественный сдвиг часов. Эти обновления происходят от более стабильных атомных часов на земле, которые являются большими (часто размером с холодильник) и не предназначены для того, чтобы выдерживать физические требования полета в космос.
Атомные часы НАСА Deep Space Atomic Clock, до 50 раз более стабильные, чем атомные часы на спутниках GPS, призваны стать самыми стабильными атомными часами, когда-либо летавшими в космосе. Он достигает этой стабильности с помощью ионов ртути.
Ионы - это атомы, которые имеют электрический заряд, а не электрически нейтральны. В любых атомных часах атомы содержатся в вакуумной камере, а в некоторых из этих часов атомы взаимодействуют со стенками вакуумной камеры. Изменения окружающей среды, такие как температура, могут вызвать аналогичные изменения в атомах и привести к ошибкам частоты. Многие атомные часы используют нейтральные атомы, но поскольку ионы ртути обладают электрическим зарядом, они могут содержаться в электромагнитной «ловушке», чтобы предотвратить это взаимодействие, позволяя атомным часам в глубоком космосе достичь нового уровня точности.
Для миссий, отправляющихся в отдаленные пункты назначения, такие как Марс или другие планеты, такая точность делает возможной автономную навигацию с минимальной связью с Землей и с нее - огромное улучшение в том, как в настоящее время осуществляется навигация космического корабля.
