Часы в невесомости: оптические часы испытали в космосе

Как оптические часы позволят сделать GPS-навигацию сверхточной, зачем часам расческа и чем оптические часы отличаются от атомных, объясняет Indicator.Ru.

Оптические часы — намного более точный эквивалент использующихся в настоящее время атомных часов. Недавно они впервые побывали в космосе, несмотря на трудности, сопутствующие их доставке. Работа часов проходит в условиях микрогравитации — состоянии, при котором вызванное гравитацией ускорение незначительно, а сама сила гравитации остается неизменной. В будущем такие условия планируют создать на спутнике, что в конечном счете позволит находить необходимые GPS-координаты с точностью до сантиметров.

Расческа для времени

Авторы работы, опубликованной в специализированном журнале Optica, сообщают о создании новой компактной отлаженной автоматизированной гребенчатой лазерной системы, которая имеет ключевое значение для функционирования космических оптических часов. Лазерные частотные гребни представляют собой серию световых волн, которые распространяются отдельно друг от друга и напоминают зубья расчески. Они являются своеобразными шестеренками, запускающими часовой механизм на оптических частотах.

«Наше устройство — краеугольный камень в развитии космических технологий будущего как в часах, так и в метрологии в целом, — прокомментировал автор исследования Маттиас Лезиус из Menlo Systems, немецкой компании, специализирующейся на разработке и продвижении оптических технологий. — Оптические часы работают в космическом пространстве так же хорошо, как и на Земле, и значит, мы разработали действительно хорошую лазерную систему».

Атомные или оптические?

Телефоны, навигаторы и другие GPS-устройства помогают человеку определить свое местоположение в любой точке земного шара за счет связи по меньшей мере с четырьмя спутниками. На этих спутниках установлены квантовые часы, которые в качестве периодического процесса используют природные колебания атома цезия. Такие часы очень важны в навигации, ведь именно благодаря им можно определить положение любых объектов — от космических кораблей до автомобилей. Спутники передают сигналы, которые содержат временную метку, приемник захватывает этот сигнал, идентифицирует объект, с которого он поступил, считывает метку и вычисляет местоположение на основе разницы во времени между спутником и GPS-устройством.

Оптические же часы опираются на колебания атомов и ионов видимой части электромагнитного спектра, то есть, проще говоря, видимого света. Их колебания происходят в 100 000 раз чаще. Это означает, что «тиканье» оптических часов происходит быстрее, и точность временных меток повышается на два или даже три порядка. Поэтому точность определения координат также увеличивается.

Для функционирования всего часового механизма необходимы частотные гребни: они разделяют быстрые колебания оптических часов на низких частотах, чтобы подсчитать и связать их с микроволновым излучением, эталонным для атомных часов. Другими словами, именно частотные гребни измеряют колебания, необходимые для определения времени.

До недавнего времени лазерные частотные гребни были очень большими и накладки в их работе можно было зафиксировать только в лабораторных условиях. Команда исследователей во главе с Лезиусом из компании, основанной Тедом Хэншем, который получил Нобелевскую премию за вклад в развитие лазерной спектроскопии, разработала автоматизированную систему частотных гребней размером 22х14,2 см и массой 22 кг. Она изготовлена из оптических волокон и благодаря этому достаточно прочна, чтобы преодолевать экстремальные показатели ускорения и изменения температур, которые возникают при выходе на орбиту.

С часами в космос

Исследователи сочетали разработанный ими частотный гребень с рубидиевыми оптическими часами, а цезиевые часы использовали как эталон. Оптические часы были разработаны в Институте Фердинанда Брауна в Берлине и Берлинском университете имени Гумбольдта при сотрудничестве с учеными из Гамбургского университета. В разработке принимала участие компания Airbus Defense & Space GmbH — подразделение корпорации Airbus Group, которое отвечает за оборонную и аэрокосмическую продукцию и услуги.

В апреле 2015 года систему проверили на научно-исследовательской ракете в ходе шестиминутного параболического полета в рамках программы Texus. После достижения микрогравитации система автоматически начала проводить измерения.

Высокоточные измерения, полученные частотными гребнями, могут быть полезны для многих целей, например при глобальном дистанционном зондировании парниковых газов или для космических детекторов гравитационных волн. В 2017 году исследователи планируют создать улучшенную версию оптических часов. В перспективе частотный гребень будет лучше сопротивляться жесткой космической радиации и, значит, сможет проработать на орбите не один год.