Часы на захваченных ионах испытали в космосе
Навигация в космическом пространстве основана на измерении времени прохождения радиосигналов между космическим кораблем и Землей. В настоящее время все временные измерения выполняются с помощью атомных часов на Земле. Это значит, что космический корабль может ждать до нескольких часов, прежде чем информация о его положении будет передана обратно. Автономное выполнение этих временных измерений на борту значительно сократит время обработки.
Теперь ученые из Лаборатории реактивного движения NASA сообщили о первом успешном испытании компактных атомных часов на захваченных ионах на орбитальном космическом корабле. «Атомные часы глубокого космоса» (Deep Space Atomic Clock/DSAC) продемонстрировали долгосрочную стабильность, которая на порядок превосходит использовавшиеся до сих пор устройства.
В основе часов лежит небольшое облако ионов ртути, захваченных электрическими полями. Микроволновые импульсы, генерируемые часами, направляются в облако, и некоторые ионы реагируют на них, изменяя свое энергетическое состояние. Количество ионов, которые изменяют состояние, связано с тем, насколько близок СВЧ-импульс к правильной частоте. Измеряя число таких частиц, можно вычислить частотную ошибку и использовать ее для коррекции частоты кварцевого генератора, встроенного в механизм часов.
Такое устройство обходится без лазеров, криогенных температур или микроволн. Это позволяет избавиться от громоздких частей. Поэтому, если земные атомные часы такой же точности могут быть размером с холодильник, то DSAC такие же маленькие, как тостер. В лабораторных испытаниях ученые непрерывно эксплуатировали DSAC в течение девяти месяцев, наблюдая дрейф в стабильности часов, который соответствовал ошибке в 1 нс в течение 20 дней.
Для своих космических испытаний команда разместила часы на орбитальном испытательном стенде космического корабля General Atomics, который был запущен на низкую околоземную орбиту в июне 2019 года ракетой SpaceX Falcon Heavy. Теперь ученые смогли получить и обработать 12 месяцев данных, полученных с этих космических часов. Сравнивая полученные данные с лабораторными тестами и спутниковыми сигналами GPS исследователи определили, что частота часов изменялась всего на 3×10−14% в день. Этот сдвиг частоты соответствует ошибке в 1 нс в течение восьми дней, что выше стабильности других космических часов на порядок.
О результатах работы сообщает NASA.
На Земле атомные часы могут быть размером с холодильник. Устройство DSAC, которое провело уже год на орбите, сравнимо по размерам с тостером и может не хуже земных аналогов измерять время