美国宇航局的深空原子钟将改变太空探索

什么是原子钟

海报庆祝美国宇航局的深空原子钟。这次任务将展示一种技术,可以让航天器计算自己的轨道,而不是等待来自地球的信息。
来源:美国国家航空航天局/姓名

什么是原子钟?

时钟正在滴答作响:技术演示可以改变人类探索空间的方式临近2019年6月24日的目标发布日期。由此开发美国国家航空航天局在加利福尼亚州帕萨迪纳的喷射推进实验室,深空原子钟是一个严重的升级到卫星的原子钟,例如,可以在手机上启用GPS。

最终,这项新技术可以让宇宙飞船导航到遥远的地方,比如火星更多的自主。但是什么是原子钟呢?它们是如何用于太空导航的?是什么让深空原子钟与众不同?继续往下读,你会得到所有的答案。

为什么我们使用时钟在空间中导航?

为了确定航天器与地球的距离,导航器向航天器发送信号,然后航天器返回地球。由于信号以已知的速度(光速)传播,所以信号在双向传播过程中所需要的时间可以显示出航天器与地球的距离。

虽然它可能听起来很复杂,但我们大多数人每天都在使用这个概念。杂货店距离您家有30分钟的步行路程。如果你知道你可以在20分钟内走大约一英里,那么你可以计算到商店的距离。

随着时间的推移,通过发送多个信号和进行多项测量,导航器可以计算出航天器的轨道:它现在在哪里,它要去哪里。

最现代的时钟,从手表到卫星上使用的钟表,使用石英晶体振荡器保持时间。这些器件利用了当电压施加到它们时以精确频率振动的Quartz晶体的事实。晶体的振动就像祖父时钟的钟摆一样,滴答多长时间过去了。

要想知道飞船在一米以内的位置,导航员需要有精确时间分辨率的时钟——可以测量十亿分之一秒的时钟。

导航员也需要时钟非常稳定。“稳定性”是指时钟衡量一个单位的时钟;例如,其测量秒长的长度超过几天和几周内的相同(以优于十亿分之一)。

原子和时钟有什么关系?

通过空间导航标准,石英晶钟不太稳定。在只有一个小时后,即使是最好的石英振荡器也可以通过纳秒(十亿分之一)关闭。六周后,它们可以通过全毫秒(千分之一的千分之一),或185英里(300公里)的距离误差。这对测量快速移动航天器的位置产生巨大影响。

原子钟将石英晶体振荡器与一组原子结合在一起,以获得更大的稳定性。美国宇航局的深空原子钟将在4天后误差不到一纳秒,在10年后误差不到一微秒(百万分之一秒)。这相当于每1000万年误差1秒。

原子由电子包围的核(由质子和中子组成)组成。周期表上的每个元素代表一个原子原子核中有一定数量的质子。环绕在原子核周围的电子数量可以变化,但它们必须占据离散的能级或轨道。

能量的震动——以微波的形式——可以使电子上升到围绕原子核的更高轨道上。为了实现这种跳跃,电子必须接收到准确的能量——这意味着微波必须有一个非常特定的频率。

使电子改变轨道所需的能量在每一种元素中都是独一无二的,在整个宇宙中,对于某一种元素的所有原子来说都是一致的。例如,使碳原子中的电子改变能级所需的频率对宇宙中的每一个碳原子都是相同的。深空原子钟使用汞原子;要使这些电子改变能级,需要一个不同的频率,而这个频率对所有的汞原子来说都是一致的。

“事实上,这些轨道之间的能量差是如此精确和稳定的值,这是原子钟的关键因素,”Eric Burt说,他是美国科学院的一个原子钟物理学家JPL.。“这是原子钟可以达到机械时钟的性能水平的原因。”

能够测量特定原子中这种不可改变的频率,为科学提供了一种通用的、标准化的时间测量方法。(“频率”是指在给定的时间单位内通过空间某一点的波的数量。因此,通过计算波数,就可以测量时间。)事实上,官方对一秒长度的测量是由铯原子中电子在两个特定能级之间跳跃所需的频率决定的。

在原子钟中,石英振荡器的频率被转换成应用于一组原子的频率。如果推导的频率是正确的,它将导致原子中的许多电子改变能级。如果频率不正确,跳跃的电子就会少得多。这将决定石英振荡器是否是非频率的以及是多少。由原子决定的“校正”可以应用到石英振荡器上,使其回到正确的频率。这种类型的校正是计算和应用石英振荡器每隔几秒深空原子钟。

深度空间原子钟有什么独特的?

原子钟安装在环绕地球运行的GPS卫星上,但即使是原子钟,也必须每天发送两次更新数据,以纠正原子钟的自然漂移。这些更新来自于地面上更稳定的原子钟,这些原子钟很大(通常有冰箱那么大),并不是为了适应太空的物理需求而设计的。

NASA的深度空间原子钟最高比GPS卫星上的原子钟更稳定,最稳定的原子钟旨在成为空间中最稳定的原子钟。它通过使用汞离子来实现这种稳定性。

离子是带净电荷的原子,而不是电中性的。在任何一个原子钟中,原子都被置于真空室中,而在某些原子钟中,原子会与真空室壁相互作用。环境的变化,如温度,将导致原子发生类似的变化,并导致频率误差。许多原子钟使用中性原子,但由于汞离子带有电荷,它们可以被包含在一个电磁“陷阱”中,以防止这种相互作用的发生,使深空原子钟达到一个新的精度水平。

对于前往火星或其他行星等遥远目的地的任务来说,这样的精度使得与地球之间的最小通信成为可能——这是目前航天器导航方式的巨大改进。

深度空间原子钟托管在Colorado的一般原子电磁系统提供的航天器上。它由美国宇航局空间技术特派团中的技术示范特派团计划和美国宇航局人力勘探和运营任务任务总局内的空间通信和导航计划提供赞助。JPL管理项目。

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