Исследователи из Лаборатории реактивного движения NASA, частных компаний и академических институтов разрабатывают первый космический квантовый датчик для измерения гравитации. Эта миссия станет первой в области квантового зондирования и откроет путь для революционных наблюдений за земной корой — от нефтяных запасов до глобальных запасов пресной воды.
NASA создает гравитационную карту высокого разрешения для всей Земли
Исследователи из Лаборатории реактивного движения NASA, частных компаний и академических институтов разрабатывают первый космический квантовый датчик для измерения гравитации. Эта миссия станет первой в области квантового зондирования и откроет путь для революционных наблюдений за земной корой — от нефтяных запасов до глобальных запасов пресной воды.
Карта земной гравитации. Красным цветом отмечены области, которые оказывают большее гравитационное притяжение, а синим — те, которые оказывают меньшее. Квантовый гравитационный градиентометр научного уровня сможет составить подобные карты с беспрецедентной точностью. NASA
Мы все знаем, что ускорение свободного падения, которое определяется гравитационным притяжением, равно 9,81 м/сек2. Но если все аккуратно измерить, то окажется, что это не совсем так. Гравитация на Земле — разная, и это зависит не только от формы Земли, которая не шар, а геоид, но и от состава и движения земной коры и не только коры. Если измерить земную гравитацию, то получится карта. Ориентируясь по ней можно летать, почти как по GPS, а можно заглянуть в глубь земной поверхности и многое там увидеть. Но измерять нужно очень точно.
Гравитационное поле Земли динамично, оно меняется каждый день по мере того, как геологические процессы перераспределяют массу по поверхности и в глубине нашей планеты. Чем больше масса, тем сильнее гравитация.
Вы не замечаете этих тонких изменений, когда идете по своим делам, но с помощью чувствительных инструментов, называемых гравитационными градиометрами, ученые могут составить карту гравитационного поля Земли и соотнести их с подземными объектами, такими как водоносные горизонты и месторождения полезных ископаемых. Эти гравитационные карты необходимы для навигации и управления ресурсами.
Горные хребты, такие как Гималаи, имеют высокую концентрацию массы, а значит, обладают сильным гравитационным полем. Синим обозначена гравитационная впадина в Индийском океане.
«Мы могли бы определить массу Гималаев, регистрируя движение атомов в квантовом датчике», — говорит Джейсон Хайон, главный технолог по наукам о Земле в JPL и директор Центра квантовых космических инноваций JPL. Хайон и его коллеги изложили концепцию своего прибора Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (QGGPf) в журнале EPJ Quantum Technology.
Как отследить изменения ускорения свободного падения
Гравитационные градиометры отслеживают как и отслеживают изменения ускорения свободного падения. Они регистрируют насколько быстрее (или медленнее) падает объект в одном месте по сравнению с объектом, падающим на небольшом расстоянии от него. Разница в ускорении между этими двумя свободно падающими объектами, так называемыми пробными массами, соответствует разнице в силе гравитации. Там где тестовые массы падают быстрее, — гравитация сильнее.
Датчик QGGPf будет использовать два облака ультрахолодных атомов рубидия в качестве тестовых масс. Охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю, частицы в этих облаках ведут себя как волны. Квантовый гравитационный градиентометр будет измерять разницу в ускорении между этими волнами материи для обнаружения гравитационных аномалий.
Карта гравитационных аномалий Венеры. Квантовый датчик позволит исследовать другие планеты с высокой точностью. Венера закрыта плотной атмосферой и практически недоступна для наблюдения с орбиты. Но гравитационному датчику атмосфера не помешает.
Использование облаков ультрахолодных атомов в качестве тестовых масс идеально подходит для обеспечения точности космических гравитационных измерений в течение длительных периодов времени, объясняют ученые. Использование атомов в качестве тестовых масс позволяет измерять гравитацию с помощью компактного прибора на борту одного космического корабля. QGGPf будет иметь объем около 0,25 куб. м и весить всего около 125 килограммов, что меньше и легче традиционных космических гравитационных приборов.
Основной целью новой миссии станет проверка технологии, запуск которой запланирован на конец десятилетия. Ученые считают, что инновации, достигнутые в ходе этой миссии расширят наши возможности изучения Земли, понимания далеких планет и роли гравитации в формировании космоса.