Атомные часы DSAC от НАСА прошли первую проверку в космосе
Находящиеся в космосе с 2019 года атомные часы Deep Space Atomic Clock (DSAC) прошли первую проверку. НАСА опубликовало результаты эксперимента в журнале Nature. Согласно статье, DSAC на порядок превосходит современные космические часы. Уровень производительности устройства способен обеспечить навигацию зондов в дальнем космосе в режиме, близкому к режиму реального времени.
Внутренности DSAC. Источник: nasa.govГлобальные навигационные системы не могут работать без атомных часов. Они с высокой точностью измеряют расстояние между объектами, основываясь на времени, за которое сигнал перемещается из одной точки в другую. Для расчёта положения космического корабля атомные часы передают сигнал с Земли на корабль и ждут, пока он обработает сигнал и пришлёт его обратно. На основе полученных данных устройство на Земле формирует инструкции и отправляет их обратно на корабль. Этот процесс занимает десятки минут или даже часы. Перенос часов прямо на корабль может значительно ускорить и упростить навигацию в космосе.
Для корректной навигации часы должны быть точными. Ошибка даже в доли секунды означает смещение траектории в сотни тысяч километров. Для путешествий в глубоком космосе это критичный показатель. Средняя стабильность атомных часов колеблется в пределах 10–15, то есть отклонение частоты от своего начального значения к самой частоте составляет не более секунды за 30 миллионов лет. Некоторые часы могут обеспечить стабильность 10–18. Но точность часов в условиях космоса ещё никто не проверял.
В 2019 году исследователи НАСА запустили в космос прототип атомных часов DSAC для навигации в глубоком космосе. Целью исследования стало помещение часов в окружение факторов, влияющих на их стабильность — резкие перепады температур, гравитационные силы и другие неблагоприятные факторы. Отличительной особенностью DSAC стало то, что для захвата ионов ртути они используют ловушку из электрического поля, в отличие от газовых камер и лучей в аналогичных устройствах. Также устройство обладает небольшими размерами (исследователи сравнивают размеры с домашним тостером) и низким энергопотреблением — около 40 ватт.
Испытания DSAC на орбите в течение первых девяти месяцев показали, что колебания температуры, излучения и магнитных полей несущественно ограничивали возможности атомных часов. На Земле DCAS показал кратковременную стабильность в пределах 1.5 × 10–13/τ1/2, где t — усреднённое время. В космосе долговременная стабильность составила 3 × 10–15 за 23 дня, то есть отклонение времени за это время составило не больше 4 наносекунд. Отклонение в одну наносекунду соответствует расстоянию в примерно 30 см, то есть общее отклонение составило примерно 1,2 метра. Это на порядок меньше, чем у используемой сейчас системы часов.
Миссия DSAC завершится в августе. НАСА заявило, что уже начало работу над миссией DSAC-2. Улучшенная версия часов полетит на Венеру в рамках миссии VERITAS. Главной целью DSAC-2 является разработка инструмента, позволяющего космическому аппарату обеспечивать автономную навигацию в глубоком космосе. Кроме того, при помощи новых часов НАСА планирует повысить качество радиоастрономических наблюдений.
Если все испытания пройдут успешно, НАСА установит DSAC на все свои зонды и корабли. В таком случае ему не нужно будет отправлять сигнал на Землю и ждать его возвращения. Все необходимые расчёты будут производиться прямо на борту, что обеспечит навигацию в режиме реального времени. На данный момент такого нет ещё ни у одного космического аппарата.
Препринт статьи опубликован на сайте Research Square. Итоговые материалы исследования размещены в статье «Demonstration of a trapped-ion atomic clock in space» в журнале Nature DOI: 10.1038/s41586–021–03571–7.
