НАСА разрабатывает новые технологии синхронизации атомных часов для космических исследований
Для важнейших функций космического аппарата требуется точность до одной миллиардной секунды или того меньше. Например, навигация с помощью GPS (ГНСС США) зависит от точных сигналов синхронизации со спутников для точного определения местоположения. Три группы НАСА (NASA) работают над повышением точности хронометража для исследования космоса.
Одна из групп разрабатывает высокоточные методы синхронизации квантовых часов, которые помогут обеспечить средства связи и навигации космических аппаратов.
Другая группа работает над применением метода синхронизации часов на космических платформах, чтобы телескопы могли функционировать как одна огромная обсерватория.
Третья группа разрабатывает атомные часы для космических аппаратов на основе стронция, чтобы обеспечить проведение научных наблюдений, которые невозможны при использовании современных технологий.
НАСА использует синхронизацию часов для определения положения космических аппаратов и установки навигационных параметров.
Если синхронизировать двое часов, казалось бы, что им мешает идти с одинаковой скоростью вечно? В действительности, чем больше времени проходит, тем больше рассинхронизируются часы, особенно если эти часы находятся на космических кораблях, летящих со скоростью десятки тысяч миль в час. Исследователи стремятся разработать новый способ точной синхронизации таких часов и поддерживать их синхронизацию с помощью квантовой технологии.
В квантовой физике две частицы находятся в запутанном состоянии, когда они ведут себя как один объект и занимают два состояния одновременно. Для часов применение квантовых протоколов к запутанным фотонам может обеспечить точный и безопасный способ синхронизации часов на больших расстояниях.
Сердце протокола синхронизации называется спонтанным параметрическим понижением частоты, когда один фотон распадается и образуются два новых фотона. Каждый из двух детекторов будет анализировать, когда появляются новые фотоны, и устройства будут применять математические функции для определения смещения во времени между двумя фотонами, таким образом синхронизируя часы.
Хотя в настоящее время синхронизация часов осуществляется с помощью GPS, этот протокол может позволить точно синхронизировать часы в местах, где доступ к GPS ограничен, например на Луне или в глубоком космосе.
Когда речь заходит об астрономии, обычно действует правило: чем больше телескоп, тем лучше его изображения.
«Если бы у нас был гипотетический телескоп размером с Землю, мы бы получили невероятно высокое разрешение изображений космоса, но это, нереально, — говорит Гуань Ян, оптический физик из NASA. – Однако мы можем иметь несколько телескопов в разных местах и каждый телескоп должен записывать сигнал с высокой точностью по времени. Затем мы можем объединить их наблюдения и создать изображение сверхвысокого разрешения».
Идея объединения наблюдений сети меньших телескопов для воздействия на мощность более крупного телескопа называется интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI).
Для того, чтобы VLBI производил целое, большее, чем сумма его частей, телескопам нужны высокоточные часы. Телескопы регистрируют данные вместе с временными метками, когда данные были записаны. Высокопроизводительные компьютеры собирают все данные вместе в одно полное наблюдение с большей детализацией, чем любой из телескопов мог бы достичь сам по себе. Эта техника позволила сети обсерваторий Event Horizon Telescope (EHT) создать первое изображение чёрной дыры в центре нашей галактики.
EHT — массив из восьми наземных радиотелескопов планетарного масштаба, созданный в результате международного сотрудничества, — был разработан для получения изображений чёрной дыры. Хотя телескопы, составляющие EHT, физически не связаны, они способны синхронизировать свои записанные данные с атомными часами.
Ещё одна группа разрабатывает технологию часов, которая может быть полезна для миссий, направленных на то, чтобы перенести эту технологию с Земли в космос, что может привести к ещё большему количеству открытий.
Системы навигации космических аппаратов в настоящее время полагаются на бортовые атомные часы для получения максимально точного времени.
Третья команда работает над OASIC (optical atomic strontium ion clock). В то время как современные космические аппараты используют микроволновые частоты, OASIC использует оптические частоты.
Оптические частоты колеблются гораздо быстрее, чем микроволновые частоты, поэтому можно добиться гораздо более точного разрешения подсчетов и более точного хронометража.
Предлагаемая технология примерно, по заявлениям испытателей, в 100 раз точнее, чем предыдущие достижения в области атомных часов космических аппаратов. Повышенная точность может открыть новые виды науки, которые ранее были невозможны.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал
По материалам открытых источников