Атомные часы запустили в космос

NASA запустило на орбиту атомные часы с ионной ловушкой, чтобы проверить их работу и в будущем использовать для навигации космических миссий.

За 23 дня часы дрейфовали всего на четыре наносекунды, в то время современные часы на спутниках «разошлись» бы на сотню. Такой уровень точности Deep Space Atomic Clock (DSAC) обеспечит одностороннюю навигацию в дальнем космосе, близкую к настоящему времени, ведь время задержки сигнала измеряться на месте. Отчет о 9 месяцев работы часов опубликовано в издании Nature.

С 1967 года стандартом времени стали 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Так секунды измеряют атомные часы, без которых невозможна бы работа навигационных систем, измеряющих расстояние между объектами, определяя время, за которое сигнал пройдет от точки, А до точки Б. Методы электромагнитного захвата и охлаждения ионов совершили революцию в характеристиках атомных часов, а сейчас ученые уже научились использовать колебания не случайных атомов, а квантово запутанных и обходить стандартную квантовую границу. Однако, транспортировка таких часов в космос остается сложной задачей — их конструкция слишком громоздкая, энергоемкая и чувствительная к изменениям окружающей среды, чтобы использовать в космических полетав.

Поэтому, чтобы проверить, возможно ли направлять космические миссии по «космическим» часам, в августе 2019 года NASA запустило на околоземную орбиту проект «Атомных часов в глубинном космосе» (Deep Space Atomic Clock, DSAC). Запущенные часы используют ионную ловушку и по данным лабораторных экспериментов они в 50 раз стабильнее других часов — потеря одной секунды происходит каждые 10 млн. лет.

Автономность часов ограничивается их дрейфом — когда они работают не с той же частотой, что и эталон и через некоторое время «расходятся» или постепенно десинхронизируются. В атомных это происходит из-за столкновения ионов со стенками, но те, что используют ионные ловушки, избавляются этой проблемы, ведь удерживают их вместе. Поэтому их точность может страдать из-за магнетизма, столкновения с фоновым газом и изменением температуры. Однако, часы DSAC могут выдержать даже прохождение через Юго-Атлантическую аномалию, где искусственные спутники Земли страдают от высоких уровней радиации через приближение к радиационному поясу Ван Аллена.

В будущем ученые планируют повысить срок службы часов из ожидаемых 3−5 лет до 10, улучшив давление буферного газа и паров ртути в вакуумной камере. Тем более, проработав 9 месяцев на орбите, DSAC попал в объявленную NASA миссию VERITAS на Венеру, где его дополнительно испытывают (зонд будет работать по обычным часам).

В основе часов DSAC находятся две линейные радиочастотные ионные ловушки Пауля, одна из которых имеет четыре стержня (погрузочная), а вторая — шестнадцать. Так ионы ищут место с самым слабым полем напряженности и попадают в центр ловушки. Там 107 ионов колеблются с частотой около 50 килогерц в радиальном направлении (в осевом направлении ионы удерживаются заглушками постоянного напряжения). В такой ловушке ионы испытывают меньшую магнитуду влияния поля, а потому снижают свою скорость и становятся более стабильными. Столкновение с неоновым буферным газом удерживают захваченные ионы при комнатной температуре, поэтому тепловые возбуждения также не выбрасывают их из ловушки. Настраивается часы 12:00 с помощью генератора гармонических колебаний — за это время облако захваченных ионов медленно приближается к своему равновесному состоянию.