Содержание
НАСА собирается запустить в глубокий космос атомные часы
НАСА собирается запустить невероятные новые атомные часы на орбиту Falcon Heavy в рамках демонстрационной технологической миссии, которая может изменить способ исследования космоса людьми.
По информации ИА «Экспресс-Новости», Deep Space Atomic Clock, это технология, разработанная в Лаборатории реактивного движения НАСА, обновленная до атомных часов, которые мы используем здесь, на Земле. А также часы, которые уже устанавливают на спутники, как те, которые обеспечивают GPS. В перспективе, эти новые атомные часы сделают навигацию космических кораблей к удаленным объектам в космосе – например, на пути к Марсу – более автономными, говорится в заявлении НАСА. Точность измерения положения космического корабля, которую ученые надеются получить с помощью атомных часов, позволит путешественникам в глубоком космосе действовать самостоятельно, без особой связи с Землей. По словам НАСА, это значительно улучшило бы навигацию космических кораблей.
Как это работает
Астрономы уже используют часы для навигации в космосе. Они посылают сигнал космическому кораблю, который отправляет его обратно на Землю. Время этого кругового полета сообщает ученым расстояние космического корабля от Земли. Это связано с тем, что сигнал распространяется со скоростью света, так что он вооружен временем, которое потребовалось, чтобы добраться до космического корабля и обратно, и найти расстояние – всего лишь простой расчет. Посылая несколько сигналов с течением времени, ученые могут рассчитать траекторию космического корабля – как там, где он был, так и куда он движется.
Но для того, чтобы узнать местоположение космического корабля с небольшой погрешностью, астрономам нужны очень точные часы, которые могут измерять миллиардные доли секунды. Им также нужны часы, которые являются чрезвычайно стабильными. «Стабильность» здесь относится к тому, насколько последовательно часы измеряют единицу времени. В то время как вы думаете, что этот механизм всегда измеряет одинаковую длительность времени как «секунды», тем не менее, он имеет тенденцию дрейфовать и медленно помечать все большее и большее время как «секунду». Для измерения местоположения космических аппаратов в дальнем космосе астрономам необходимо, чтобы их атомные часы были согласованы с точностью до миллиардной доли секунды в течение дней и недель.
Современные часы, от тех, которые мы носим на запястьях, до часов, которые установлены на спутниках, чаще всего используют время кварцевого генератора. Они задействуют тот факт, что кристаллы кварца вибрируют с определенной частотой, когда на них подается напряжение, говорится в заявлении НАСА. Вибрации действуют как маятник в напольных часах. Но по стандартам космической навигации кварцевые часы не очень стабильны. Через шесть недель они могут отключиться на полную миллисекунду, что соответствует скорости света до 300 километров. Эта небольшая ошибка может оказать огромное влияние на измерение положения быстро движущегося космического корабля, считает НАСА.
Атомные часы объединяют кварцевые генераторы с определенными типами атомов, чтобы создать лучшую стабильность. Атомные часы НАСА для глубокого космоса будут использовать атомы ртути и будут отключены менее чем на наносекунду через четыре дня и менее чем на микросекунду через 10 лет. По словам НАСА, потребуется 10 миллионов лет, чтобы часы ошиблись на целую секунду.
Атомные часы нового поколения используют в своих интересах структуру атомов, которые составлены из ядра протонов и нейтронов, окруженных электронами. Атомы каждого элемента имеют различную структуру с различным количеством протонов в ядре. В то время как число электронов, которое имеет каждый тип атома, может варьироваться, электроны занимают различные энергетические уровни, и толчок точно нужного количества энергии может заставить электрон прыгнуть на более высокий энергетический уровень вокруг ядра.
Энергия, необходимая для того, чтобы электрон совершил этот скачок, уникальна для каждого элемента и соответствует всем атомам этого элемента. «Тот факт, что разность энергий между этими орбитами является такой точной и стабильной величиной, действительно является ключевым компонентом для атомных часов», — заявил Эрик Берт, физик атомных часов из JPL. «Именно поэтому атомные часы могут достигать уровня производительности, превышающего механические часы».
По сути, атомные часы могут исправлять себя. В атомных часах частота кварцевого генератора преобразуется в частоту, которая применяется к совокупности атомов определенного элемента. Если частота правильная, это заставит много электронов в атомах перепрыгивать энергетические уровни. Но если это не так, меньше электронов будет прыгать. Это говорит о том, что кварцевый генератор не в частоте, и насколько это исправить. На атомных часах глубокого космоса эта поправка рассчитывается и применяется к кварцевому генератору каждые несколько секунд. Но это не все, что делает Атомные Часы Глубокого Космоса особенными. Эти часы используют не только атомы ртути, но и заряженные ионы ртути.
ИА «Экспресс-Новости» отмечает, что ионы, это не что иное, как атомы, которые имеют электрический заряд. А значит, они могут содержаться в электромагнитной «ловушке». Это удерживает атомы от взаимодействия со стенками вакуумной камеры, что является общей проблемой нейтральных атомов, используемых в обычных атомных часах. Когда они взаимодействуют со стенами камеры, то изменения окружающей среды, такие как температура, могут вызвать изменения и в самих атомах, и привести к ошибкам частоты. Согласно НАСА, атомные часы в глубоком космосе не будут подвержены таким изменениям окружающей среды, и поэтому будут в 50 раз более стабильными, чем часы, используемые на спутниках GPS.
Понравилась статья, поделитесь с друзьями :
