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NASA的深空原子钟,它是如何工作的?

2019-6-24@艾米

美国宇航局(NASA)定于今天(6月24日)在猎鹰重型号上发射一个令人难以置信的新原子钟进入轨道,执行一项技术演示任务,这将改变人类探索太空的方式。

由NASA喷气推进实验室开发的 深空原子钟,是对我们在地球上使用的原子钟和已经在卫星(如那些提供GPS的卫星)上运行时钟的升级。

NASA在一份声明中表示, 理想情况下,这种新的原子钟将使航天器航行到太空中远方天体(例如在通往火星的旅程中)更加自主。科学家们希望利用深空原子钟对航天器位置进行精确测量,这将使在深空飞行的航天器能够在与地球没有太多通信的情况下自行行动。NASA表示,这将大大改善目前宇宙飞船的航行方式。

NASA的深空原子钟,它是如何工作的?

但它是如何工作的?

天文学家已经使用时钟在太空中航行。他们向飞船发送信号,飞船将其传回地球。往返的时间告诉科学家宇宙飞船与地球的距离。这是因为信号是以光速传播的,所以在到达宇宙飞船和返回太空所需的时间内,找出距离只是一个简单的计算。通过随时间发送多个信号,科学家可以计算出飞船的轨迹,无论是它当前的位置还是它前进的位置。

但据NASA称,为了知道宇宙飞船在一个微小误差范围内的位置,天文学家需要非常精确的时钟,可以测量十亿分之一秒。同时他们还需要非常稳定的时钟。这里的“稳定性”是指时钟度量单位时间的一致性。虽然你认为时钟总是度量与“秒”相同的时间长度,但时钟有漂移的趋势,并缓慢地将越来越长的时间标记为“秒”。为了测量遥远太空中飞船的位置,天文学家需要他们的原子钟在数天和数周内保持一致,好于十亿分之一秒。

现代时钟,从我们戴在手腕上的钟表到卫星上使用的钟表,大多数都是用石英晶体振荡器来计时的。NASA在声明中说,这是因为当施加电压时,石英晶体会以精确的频率振动。这种振动就像落地摆钟的钟摆。

但是,按照太空航行的标准,石英晶体钟一点也不稳定。六个星期之后,它们可能会偏差一毫秒,将光速转换后就是300公里的距离误差。NASA表示,如此大的误差将对测量快速移动飞船的位置产生巨大影响。

原子钟将石英晶体振荡器与某些类型的原子结合在一起,从而拥有更好的稳定性。NASA的深空原子钟将使用汞原子,四天后偏差不到一纳秒,10年后偏差不到一微秒。根据NASA的说法,这需要1000万年的时间才能让时钟出现1秒的偏差。

了解到原子钟利用了原子的结构可能并不奇怪,原子的结构是由一个质子核和一个被电子包围的中子核组成的。每种元素的原子都有不同的结构,原子核中的质子数也不同。虽然每种原子所拥有的电子数量可能不同,但电子占据着不同的能级,而恰到好处的能量震动会导致电子跳到围绕原子核的更高能级上。

制作电子所需的能量是每个元素所特有的,并且与该元素的所有原子一致。JPL原子钟物理学家Eric Burt在声明中表示“事实上,这些轨道之间的能量差是如此精确和稳定的值,这确实是原子钟的关键因素。这就是原子钟可以超出机械钟性能水平的原因。”

从本质上讲,原子钟可以自我修正。在原子钟中,石英振荡器的频率被转换为应用于来自特定元素的原子集合的频率。如果频率是正确的,它将导致原子中的许多电子跃迁能级。但如果不是这样,跃迁的电子就更少了。这告诉时钟,石英振荡器是偏离频率,以及需校正它的程度。在深空原子钟上,每几秒钟计算一次这种校正并应用于石英振荡器。

但这并不是使深空原子钟与众不同的全部原因。这个钟不仅使用汞原子,还使用带电的汞离子。

因为离子是具有电荷的原子,所以它们可以包含在电磁“陷阱”中。这使得原子不会与真空室的壁相互作用,这是常规原子钟中使用的中性原子的常见问题。当它们与真空壁相互作用时,温度等环境变化会引起原子本身的变化,并导致频率误差。

根据NASA的说法,深空原子钟不会受到这种环境变化的影响,因此比GPS卫星上的时钟稳定50倍。在今天发布时钟之后,科学家将能够开始测试时钟的精确度,因为花费数天后,它将在轨道上停留几个月。

本文源自 Live Science ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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