Ученые создали новые атомные часы размером в четыре ломтика хлеба

Еще со школы известно, что скорость и время позволяют определить расстояние между точкой А и точкой Б. Имея карту, можно выбрать самый оптимальный маршрут – проще не бывает? А что, если точка А – это Земля, а точка Б – это Марс? Это тоже просто? В принципе, да. Но для этого нужны гораздо более совершенные инструменты.

В Лаборатории реактивного движения NASA разработаны атомные часы для измерения времени в глубоком космосе, или DSAC для краткости. Это небольшие атомные часы, созданные как часть навигационной системы космического аппарата, позволяют повысить точность и использовать новые режимы навигации, например, автопилот.

Они созданы для использования в Солнечной системе далеко за пределами околоземной орбиты и в перспективе на их основе предполагается разработать усовершенствованный прототип для будущего исследования глубокого космоса.

Для навигации в глубоком космосе необходимо учитывать время прохождения радиосигнала между космическим кораблем и одной из передающих антенн на Земле, которые расположены в Калифорнии, Испании и Австралии.

Радиосигнал движется со скоростью света, равной около 300 000 км/сек. Затем, в зависимости от времени прохождения сигнала вычисляется расстояния и относительные скорости космических аппаратов.

Например, орбитальный спутник Марса находится в 250 миллионах километров от Земли. Время необходимое для прохождения двухстороннего радиосигнала составляет около 28 минут. Зная время сигнала в пути и общее расстояние, пройденное между антенной на Земле и орбитальным аппаратом с погрешностью не менее метра, можно вычислить относительную скорость орбитального аппарата по отношению к антенне с точностью до 0,1 мм/сек. Зная расстояние и относительную скорость с течением времени можно определить траекторию спутника.

Основой для таких точных измерений являются атомные часы. Измеряя очень стабильные и точные частоты света, которые испускают атомы водорода, цезия, рубидия или ртути, атомные часы могут показывать время точнее, чем традиционные швейцарские механические часы. Это как камертон для хронометража. К тому же такая система стабильна в течение десятилетий.

Точность DSAC основана на свойствах ионов ртути, благодаря которым новые атомные часы за десятилетие могут спешить или отставать всего на микросекунды.

Наземные часы, которые сейчас используются для вычисления подходящих траекторий орбитальных аппаратов, имеют размер холодильника и совершенно не подходят для космических полетов. Для сравнения, DSAC, даже в его нынешнем виде имеет размер в четыре ломтика хлеба. Ученые считают, что он может стабильно работать на борту космического корабля в глубоком космосе. Для технологии DSAC, по сути, не нужно ничего, кроме энергии. Все эти особенности позволили разработать часы, которые подходят для очень длительных космических полетов.

Демонстрационная установка DSAC, укомплектованная сверхстабильным кварцевым генератором и GPS-навигатором будет выведена на малую орбиту Земли ракетой-носителем SpaceX Falcon Heavy в начале 2017 года.

В конце 1700-х годов Джон Харрисон изобрел морской хронометр, который навсегда решил проблему навигации во время длительных морских путешествий. На сегодняшний день исследования глубокого космоса подразумевают расстояния, которые на порядки превышают ширину океанов, и требуют самых точных инструментов для обеспечения безопасности судоходства. Атомные часы DSAC готовы ответить на этот вызов.