Prvi svemirski kvantni senzor za mjerenje gravitacije

Istraživači iz NASA-inog Laboratorija za mlazni pogon u južnoj Kaliforniji JPL, privatnih tvrtki i akademskih institucija razvijaju prvi svemirski kvantni senzor za mjerenje gravitacije.

Potpomognuta NASA-inim Uredom za tehnologiju znanosti o Zemlji (ESTO), ova će misija označiti prvu kvantnu detekciju i utrti put za revolucionarna promatranja svega, od rezervi nafte do globalnih zaliha slatke vode.

Zemljino gravitacijsko polje je dinamično, mijenja se svaki dan kako geološki procesi redistribuiraju masu po površini našeg planeta. Što je veća masa, veća je gravitacija.

Ne biste primijetili ove suptilne promjene u gravitaciji tijekom dana, ali s osjetljivim alatima koji se nazivaju gravitacijski gradiometri, znanstvenici mogu mapirati nijanse Zemljinog gravitacijskog polja i povezati ih s podzemnim značajkama poput vodonosnika i naslaga minerala. Ove gravitacijske karte bitne su za navigaciju, upravljanje resursima i nacionalnu sigurnost.

"Mogli bismo odrediti masu Himalaja pomoću atoma," rekao je Jason Hyon, glavni tehnolog za znanost o Zemlji pri JPL-u i direktor JPL-ova Quantum Space Innovation Center. Hyon i kolege izložili su koncepte svog instrumenta Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (QGGPf) u nedavnom radu u časopisu EPJ Quantum Technology .

Gravitacijski gradiometri prate koliko brzo pada objekt na jednoj lokaciji u usporedbi s objektom koji pada na maloj udaljenosti. Razlika u ubrzanju između ova dva slobodno padajuća objekta, također poznata kao ispitne mase, odgovara razlikama u gravitacijskoj snazi. Ispitne mase padaju brže tamo gdje je gravitacija jača.

QGGPf će koristiti dva oblaka ultrahladnih atoma rubidija kao ispitne mase. Ohlađene na temperaturu blizu apsolutne nule, čestice u ovim oblacima ponašaju se poput valova. Kvantni gravitacijski gradiometar će mjeriti razliku u ubrzanju između ovih valova materije kako bi locirao gravitacijske anomalije.

"Korištenje oblaka ultrahladnih atoma kao testnih masa idealno je za osiguravanje točnosti mjerenja gravitacije u svemiru tijekom dugih vremenskih razdoblja", objasnio je Sheng-wey Chiow, eksperimentalni fizičar u JPL-u. "S atomima mogu jamčiti da će svako mjerenje biti isto. Manje smo osjetljivi na učinke okoliša."

Korištenje atoma kao ispitnih masa također omogućuje mjerenje gravitacije s kompaktnim instrumentom u jednoj svemirskoj letjelici. QGGPf će imati oko 0,25 kubičnih metara volumena i težiti samo oko 125 kilograma, manji i lakši od tradicionalnih svemirskih gravitacijskih instrumenata.

Kvantni senzori također imaju potencijal za povećanu osjetljivost. Prema nekim procjenama, instrument kvantnog gravitacijskog gradiometra znanstvene razine mogao bi biti čak deset puta osjetljiviji u mjerenju gravitacije od klasičnih senzora.

Glavna svrha ove misije provjere tehnologije, koja bi trebala biti pokrenuta krajem desetljeća, bit će testiranje kolekcije novih tehnologija za manipuliranje interakcijama između svjetlosti i materije na atomskoj razini.

"Nitko još nije pokušao letjeti jednim od ovih instrumenata", rekao je Ben Stray, postdoktorand na JPL-u. "Moramo letjeti s njim kako bismo mogli shvatiti koliko će dobro raditi, a to će nam omogućiti ne samo da unaprijedimo kvantni gravitacijski gradiometar, već i kvantnu tehnologiju općenito."

Ovaj projekt tehnološkog razvoja uključuje značajnu suradnju između NASA-e i malih poduzeća. Tim u JPL-u radi s AOSense i Infleqtion na unapređenju tehnologije glave senzora, dok NASA-in Goddard Space Flight Center u Greenbeltu, Maryland radi s Vector Atomicom na unapređenju laserskog optičkog sustava.

U konačnici, inovacije postignute tijekom ove misije tragača mogle bi poboljšati našu sposobnost proučavanja Zemlje i našu sposobnost razumijevanja udaljenih planeta i uloge koju igra gravitacija u oblikovanju svemira. "Instrument QGGPf dovest će do primjena u planetarnoj znanosti i primjena u temeljnoj fizici", rekao je Hyon.