Атомний годинник попрацював у космосі. Далі його направлять на Венеру

NASA запустило на орбіту атомний годинник з іонною пасткою, щоб перевірити його роботу та у майбутньому використовувати для навігації космічних місій. За 23 дні годинник дрейфував всього на чотири наносекунди, у той час сучасні годинники на супутниках «розійшлися» б на сотню. Такий рівень точності Deep Space Atomic Clock (DSAC) забезпечить односторонню навігацію у дальньому космосі, близьку до дійсного часу, адже час затримки сигналу вимірюватиметься на місці. Звіт про 9 місяців роботи годинника опублікували у Nature.

General Atomics Electromagnetic Systems

Що це за годинник?

З 1967 року стандартом часу стали 9 192 631 770 періодів електромагнітного випромінювання при переході між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133. Так секунди вимірюють атомні годинники, без яких була б неможлива робота навігаційних систем, що вимірюють відстань між об'єктами, визначаючи час, за який сигнал пройде від точки А до точки Б. Методи електромагнітного захоплення і охолодження іонів здійснили революцію в характеристиках атомних годинників, а зараз вчені вже навчилися використовувати коливання не випадкових атомів, а квантово заплутаних, та обходити стандартну квантову межу. Однак, транспортування таких годинників в космос залишається складним завданням - їхня конструкція надто громіздка, енергоємна і чутлива до змін навколишнього середовища, щоб бути практичною для космічних польотів.

General Atomics Electromagnetic Systems

Тому, щоб перевірити, чи можливо направляти космічні місії за «космічним» годинником, в серпні 2019 року NASA запустили на навколоземну орбіту проєкт атомного годинника у глибинному космосі (Deep Space Atomic Clock, DSAC). Запущений годинник використовує іонну пастку та згідно із лабораторними експериментами у 50 разів більш стабільний за інші, що втрачають одну секунду кожні 10 мільйонів років.

Як він справився у космосі?

Автономність годинників обмежується їхнім дрейфом - коли вони працюють не з тією ж частотою, що і еталон та через деякий час «розходяться» або поступово десинхронізуються. У атомних це відбувається через зіткнення іонів зі стінками, але ті, що використовують іонні пастки, позбуваються цієї проблеми, адже утримують їх разом. Тому їхня точність може страждати через магнітні ефекти, зіткнення із фоновим газом та зміною температури. Однак, годинник DSAC зміг витримати навіть проходження крізь Південно-Атлантичну аномалію, де штучні супутники Землі страждають від вищих рівнів радіації через наближення до радіаційного поясу Ван Аллена.

У майбутньому вчені планують підвищити строк служби годинник з очікуваних 3-5 років до 10, покращивши тиск буферного газу і парів ртуті у вакуумній камері. Тим більше, пропрацювавши 9 місяців на орбіті, DSAC потрапив у оголошену NASA місію VERITAS на Венеру, де його додатково випробують (зонд працюватиме за звичайним годинником).

Як працює годинник?

В основі годинника DSAC знаходяться дві лінійні радіочастотні іонні пастки Пауля, одна з яких має чотири стрижні (навантажувальна), а друга - шістнадцять. До цих стрижнів парами прикладається напруга, що лінійно зменшується у напрямку до осі пастки. Так іони шукають місце із найслабшим полем напруженості і потрапляють у центр пастки. Там 107 іонів коливаються із частотою близько 50 кілогерців у радіальному напрямку (в осьовому напрямку іони утримуються заглушками постійної напруги). У такій пастці іони відчувають меншу магнітуду впливу поля, а тому знижують свою швидкість та стають більш стабільними за іонні хмари в інших годинниках. Зіткнення з неоновим буферним газом утримують захоплені іони за кімнатної температури, тож теплові збудження також не викидають їх з пастки. Налаштовується годинник 12 годин за допомогою генератора гармонічних коливань - за цей час хмара захоплених іонів повільно наближається до свого рівноважного стану.