Изобретение часов заново: новая технология НАСА для измерения времени в космосе

Здесь, на Земле, возможно, не имеет значения, отстают ли ваши часы на несколько секунд. Но важные функции космического корабля должны выполняться с точностью до миллиардной доли секунды или меньше. Например, навигация с помощью GPS полагается на сигналы точного времени со спутников для точного определения местоположения. Три команды в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, работают над тем, чтобы вывести хронометраж космических исследований на новый уровень точности.

• Команда разрабатывает высокоточные методы синхронизации квантовых часов для поддержки базовой связи и навигации космических кораблей.
• Другая команда Годдарда работает над применением техники синхронизации часов к космическим платформам, чтобы позволить телескопам функционировать как единая гигантская обсерватория.
• Третья группа разрабатывает атомные часы для космического корабля на основе стронция, металлического химического элемента, чтобы обеспечить возможность научных наблюдений, невозможных при нынешних технологиях.

Потребность во все более точных измерениях времени – вот почему команды НАСА Годдарда при поддержке внутренней программы исследований и разработок центра улучшают точность и синхронизацию часов, используя инновационные технологии, такие как квантовая и оптическая связь.

Синхронизация по всей Солнечной системе

«Обществу нужна синхронизация часов для многих важных функций, таких как управление энергосистемой, открытие фондовых рынков, финансовые операции и многое другое», — сказал Алехандро Родригес Перес, исследователь НАСА Годдарда. «НАСА использует синхронизацию часов для определения положения космических кораблей и установки параметров навигации».

Если вы соедините вместе два часа и синхронизируете их, вы можете ожидать, что они всегда будут отсчитывать один и тот же такт. В действительности, однако, с течением времени часы все больше рассинхронизируются, особенно когда эти часы находятся на космическом корабле, движущемся со скоростью десятки тысяч миль в час. Родригес Перес хочет использовать квантовую технологию для разработки нового метода точной синхронизации таких часов и поддержания их синхронизации.

В квантовой физике две частицы считаются запутанными, когда они ведут себя как один объект и одновременно занимают два состояния. Что касается часов, применение квантовых протоколов к запутанным фотонам может обеспечить точный и безопасный способ синхронизации часов на больших расстояниях.

Сердцем протокола синхронизации является так называемое спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты. Один фотон распадается и образуются два новых фотона. Каждый из двух детекторов анализирует появление новых фотонов, а устройства применяют математические функции для определения временного смещения между двумя фотонами, тем самым синхронизируя часы.

Хотя синхронизация часов в настоящее время осуществляется через GPS, этот протокол может обеспечить точную синхронизацию часов в местах, где доступ к GPS ограничен, например, на Луне или в космосе.

Синхронизируйте часы, подключите телескопы, чтобы увидеть больше, чем когда-либо прежде.

В астрономии обычно действует эмпирическое правило: чем больше телескоп, тем лучше качество изображения.

«Если бы у нас гипотетически был телескоп размером с Землю, мы бы получили изображения космоса невероятно высокого разрешения, но это явно непрактично», — сказал Гуань Ян, физик-оптик из НАСА имени Годдарда.

«Однако мы можем разместить несколько телескопов в разных местах и ​​заставить каждый телескоп регистрировать сигнал с высокой временной точностью. Затем мы сможем объединить их наблюдения и создать изображение сверхвысокого разрешения».

Идея объединения наблюдений сети меньших телескопов для влияния на работу более крупного телескопа называется интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI).

Чтобы РСДБ могла создать целое, превосходящее сумму его частей, телескопам необходимы высокоточные часы. Телескопы записывают данные вместе с временными метками, указывающими, когда данные были записаны. Мощные компьютеры объединяют все данные в полное наблюдение, которое является более подробным, чем любой из телескопов мог бы получить в одиночку. Благодаря этой методике сеть обсерваторий Event Horizon Telescope смогла создать первое изображение черной дыры в центре нашей галактики.

Команда Янга разрабатывает технологию часов, которая может быть полезна для миссий по переносу технологии с Земли в космос, что может привести ко многим другим открытиям.

Оптические атомные часы для космических путешествий

Навигационные системы космических кораблей в настоящее время полагаются на бортовые атомные часы для поддержания наиболее точного времени. Холли Леопарди, физик из НАСА имени Годдарда, изучает оптические атомные часы, более точный тип атомных часов.

Хотя в лабораториях уже есть оптические атомные часы, Леопарди и ее команда хотят разработать более точную версию, готовую к использованию в космосе.

Команда работает над OASIC, что означает «оптические атомно-ионные часы стронция». В то время как современные космические корабли используют микроволновые частоты, OASIC использует оптические частоты.

«Оптические частоты колеблются гораздо быстрее, чем микроволновые, поэтому мы можем добиться гораздо более высокого разрешения подсчетов и более точного измерения времени», — сказал Леопарди.

Технология OASIC примерно в 100 раз точнее современных атомных часов на космических кораблях. Повышенная точность может открыть новые виды науки, которые ранее были невозможны.

«Использование этих высокоточных часов позволяет изучать фундаментальные физические изменения в космосе», — сказал Леопарди, — «и это может помочь нам лучше понять механизмы нашей Вселенной».

Технологии синхронизации, открытые этими командами, могут позволить сделать новые открытия в нашей Солнечной системе и за ее пределами.

Информация от: Центром космических полетов имени Годдарда НАСА.