意義重大!你知道原子鐘嗎?為什麼NASA將原子鐘送入太空

2020-12-05 星星知火

6月22日,美國宇航局將在SpaceX獵鷹重型火箭上向太空發射一個足球大小的原子鐘(儘管要比足球重得多)。這個時鐘不是用來報時的,它是一個時鐘的技術演示,這個時鐘可能用於未來的太空探索,既可以導航,也可以測量重力。如果成功,它將成為太空中有史以來最精確的原子鐘。

目前,太空探索是一個雙向的過程。宇宙飛船將信息發送到地面和導航器的天線陣列,導航器使用地球上的原子鐘來協調時間,並將導航指令發送回飛船。但是如果宇宙飛船上有一個精確的原子鐘,它就可以在不依賴地球原子鐘的情況下確定自己的時間和導航數據。深空原子鐘(DSAC)是對這種時鐘的一種測試,它最終將允許流線型導航,在這種導航中,太空飛行器可以接收指令,而無需等待地球上的數字運算。

根據2016年的一篇論文,從雙嚮導航轉向單向導航可以顯著減輕地面資產的跟蹤負擔。最重要的是,時鐘是科學研究的重要工具。在強引力場中,時間過得比較慢,所以原子鐘可以用來測量重力的影響。

時鐘有點像滴答的手錶,有一個非常勤奮的系統,以確保滴答保持準確。電場中的石英晶體產生一個有規律的振蕩電信號,然後將其轉換成近似於汞原子發生原子躍遷的頻率。這個電信號被傳遞給被困在電場中的汞離子,汞離子開始振動,為躍遷的頻率提供了一個精確的值。時鐘用它來校正近似頻率,並提供一個可靠的頻率標準。這可以轉換成每秒一次的滴答,不會動搖。

但是,與地球上的固定原子鐘不同的是,DSAC必須克服可能影響其原子或振蕩器行為的因素,而地球上的固定原子鐘可以用儘可能多的設備與外界隔絕。這些不好的影響包括用於保持太空飛行器穩定的機械產生的電磁場,以及外層空間不斷變化的溫度和磁場。包括一系列磁鐵和內置屏蔽,以保持時鐘穩定,並將這些外部影響,以保持時鐘機構的腔室。

然後,時鐘將滴答聲傳到環繞地球軌道運行的GPS接收器上,GPS接收器將把滴答聲傳回地面,科學家們可以將時鐘的輸出量與地球上的原子鐘進行比較,以確保滴答聲能夠正常工作。

如果成功的話,這個時鐘將成為太空中最精確的原子鐘。在地面上,它的穩定性是GPS衛星原子鐘的50倍,根據美國宇航局的一份新聞稿,它每900萬年只損失一秒鐘。

最終,這個實驗只是一個示範。但如果成功,它可能會導致導航技術的重大進步,並最終允許太空人進入更深的太空。

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