W najbliższy piątek, 25 kwietnia, robotyczne ramię używane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zainstaluje ACES na zewnętrznej stronie europejskiego modułu Columbus. Podczas zaplanowanej na 30 miesięcy misji system ACES ma przeprowadzić co najmniej dziesięć wydłużonych sesji pomiarowych, z których każda potrwa 25 dni.
– W ramach misji ACES umieszczamy na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej najbardziej precyzyjny czasomierz, jaki kiedykolwiek wysłano na orbitę. Ma on pomóc ustanowić nowe granice w dziedzinie fizyki fundamentalnej, transferu czasu i globalnej synchronizacji. ACES jest doskonałym przykładem tego, co Europa może osiągnąć, łącząc najnowocześniejsze technologie, ambicje naukowe i silne partnerstwa – powiedział Daniel Neuenschwander, dyrektor ds. eksploracji kosmosu w ESA.
Europejski eksperyment z czasem
Eksperyment będzie obsługiwany z Europy, za pośrednictwem CADMOS w Tuluzie we Francji i Centrum Kontroli Columbus w pobliżu Monachium w Niemczech. CADMOS to francuski ośrodek wspierający eksperymenty naukowe w warunkach mikrograwitacji, związany z agencją kosmiczną CNES. W ramach misji ACES na ISS poleciały dwa najnowocześniejsze zegary: PHARAO (Projet d’Horloge Atomique à Refroidissement d’Atomes en Orbite) i SHM (Space Hydrogen Maser).
Pierwszy z nich, PHARAO, jest cezowym zegarem atomowym opracowanym przez francuską agencję kosmiczną CNES. Zegar wykorzystuje lasery do chłodzenia atomów cezu do temperatury niemal zera absolutnego, czyli około minus 273 stopni Celsjusza. Pozwala to na niezwykle precyzyjne pomiary czasu i częstotliwości.
Natomiast zegar SHM to aktywny maser wodorowy. Wykorzystuje wodór jako atomowe odniesienie częstotliwości. Jego działanie przypomina pasywne masery używane na pokładzie satelitów Galileo, ale jest dziesięć razy bardziej stabilne.
Zegary kosmiczne i naziemne
Sygnał wysyłany z tych zegarów będzie przesyłany do sieci zegarów naziemnych przez dwa łącza czasu i częstotliwości:
- łącze mikrofalowe (MWL) działające na częstotliwościach mikrofalowych;
- łącze optyczne European Laser Timing (ELT).
Terminale naziemne w Europie, Wielkiej Brytanii, Stanach Zjednoczonych i Japonii będą komunikować się z ACES w celu wymiany informacji o czasie, kompensując jednocześnie wpływ atmosfery i trudnych warunków panujących w przestrzeni kosmicznej.
Satelitarne stacje laserowe w Europie, takie jak obserwatorium w pobliżu Wettzell w Bawarii, połączone z zegarami atomowymi, również będą uczestniczyć w eksperymentach ACES za pośrednictwem ELT. Ich anteny będą wysyłać impulsy laserowe w kierunku stacji kosmicznej i odbierać powracające echa, które po oznaczeniu czasu w ACES i zegarze naziemnym zostaną wykorzystane do pomiaru desynchronizacji między przestrzenią kosmiczną a ziemią.
Czas i grawitacja
Po co to wszystko? Zacznijmy od tego, że zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, grawitacja wpływa na upływ czasu. Eksperymenty przeprowadzone na Ziemi wykazały, że czas płynie szybciej na większych wysokościach, takich jak szczyty gór, niż na poziomie morza. A co się stanie, jeśli przeprowadzimy eksperyment znacznie wyżej? Konkretnie około 400 kilometrów nad Ziemią, czyli na wysokość, na której operuje Międzynarodowa Stacja Kosmiczna?
Porównanie danych z zegarów umieszczonych w kosmosie i tych naziemnych umożliwi przetestowanie grawitacyjnego efektu dylatacji czasu Einsteina. Globalna sieć zegarów naziemnych połączonych za pośrednictwem ACES umożliwi również naukowcom pomiar różnic geopotencjału między kontynentami, przeprowadzanie eksperymentów synchronizacji zegarów i dystrybucję globalnych skal czasowych.
– ACES to bardzo czuła aparatura wykonana ze skomplikowanych i wzajemnie połączonych podsystemów, które muszą działać w harmonii. Zespół stanął przed wieloma wyzwaniami i musiał opracować sprytne rozwiązania. Na przykład, aby zapobiec uszkodzeniu zegarów przez ekspozycję na pole magnetyczne, użyliśmy specjalnego sprzętu do ochrony ACES podczas testów. Wszystkie narzędzia, urządzenia elektroniczne i elementy metalowe, aż do samych nakrętek i śrub, są mierzone i rozmagnesowywane w razie potrzeby, zanim znajdą się w pobliżu ACES. To bardzo precyzyjna praca w bardzo precyzyjnym obiekcie – powiedział Thomas Peignier, główny inżynier ACES.
Źródło: ESA
Nasza autorka
Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka
Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
