美国宇航局今天将把新原子钟送入轨道 使用猎鹰运载火箭发射

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插图显示的是美国宇航局的深空原子钟,它将测试用于深空导航的新技术。(图片:©NASA)

美国宇航局将于今天(6月24日)使用猎鹰重型运载火箭将一个令人难以置信的新原子钟送入轨道,这是一项可能会改变人类探索太空方式的技术演示任务。

该深空原子钟由美国宇航局喷气推进实验室开发,是对我们在地球上使用的原子钟以及已经在GPS卫星上使用的原子钟的太空升级版本。

美国宇航局在一份声明中说,在理想情况下,这种新型原子钟将使宇宙飞船能够更自主地导航到深空中的遥远天体,比如火星。科学家们希望能够利用深空原子钟来精确测量宇宙飞船的位置,这样的话,在深空中飞行的宇宙飞船就能够在不与地球进行太多通信的情况下自主行动。NASA表示,这将大大改善目前航天器的导航方式。

但它的原理是什么呢?

天文学家早已经使用时钟在太空中导航。他们向宇宙飞船发送信号,宇宙飞船再把信号传回地球,信号往返的时间就可以告诉科学家们宇宙飞船和地球之间的距离。这是因为信号是以光速传播的,所以加上往返航天器的时间,航天器和地球之间的距离只需要做一个简单的计算就可以得出。在一个时间段内发送多个信号,科学家还可以计算出宇宙飞船的轨迹——包括它曾经所在的位置和它即将要去的地方。

但据美国宇航局称,为了尽可能精确地得到航天器的位置,天文学家需要非常精确的时钟,精度要求达到可以测量十亿分之一秒。他们还需要这个时钟保持稳定,这里的“稳定性”指的是时钟测量时间单位的一致性,你可能会认为,时钟对“秒”的测量时间长度总是一样的,但时钟其实有移位的趋势,它会慢慢地把越来越长的时间长度标记为“秒”。为了测量宇宙飞船在深空中的位置,天文学家们需要他们的原子钟在数天或数周的时间内都尽可能精确地保持一致,测量时间长度误差不能超过十亿分之一秒。

从我们手腕上佩戴的时钟到卫星上使用的时钟,现代时钟大多使用石英晶体振荡器来计时。美国宇航局在声明中说,这些装置利用的都是石英晶体在电压作用下的振动精确频率(这些振动就像落地钟上的钟摆)。

但在太空导航的标准下,石英晶体时钟根本就不够稳定。在运行六周后,它们的误差可能会达到整整一毫秒,在光速下一毫秒的时间就相差185英里(300公里)。NASA表示,这么大的误差对测量快速移动航天器的位置会产生巨大影响。

而原子钟则将石英晶体振荡器与某些类型的原子结合了起来,创造出了更好的稳定性。美国宇航局的深空原子钟将使用汞原子,运行4天后误差小于1纳秒,10年后误差小于1微秒,据美国国家航空航天局称,要经过1000万年的时间,原子钟才会出现一秒钟的误差。

原子钟利用的是原子的结构,原子的原子核由质子和中子组成,外层被电子包围。每个元素的原子都有不同的结构,原子核中质子的数量也不同。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,而适量的能量震动可以使电子在原子核周围跃迁到更高的能级。

使一个电子发生跃迁所需的能量对每个元素来说都是唯一的,并且与该元素的所有原子一致。喷气推进实验室的原子钟物理学家埃里·克伯特(Eric Burt)在声明中说:“这些轨道之间的能量差是一个非常精确和稳定的值,而这正是制作原子钟的关键因素,这就是原子钟的性能水平能够超过机械钟的原因。”

从本质上说,原子钟可以进行自我校正,在原子钟中,石英振荡器的频率被转换成应用于特定元素原子集合的频率。如果频率是正确的话,它将会导致原子中的许多电子跃迁能级。但如果频率不正确的话,发生跃迁的电子数量会减少。这就告诉了时钟,石英振荡器已经产生了误差,以及需要作出多少校正。在深空原子钟上,这种校正每隔几秒就会计算一次,并应用到石英振荡器上。

但这并不是深空原子钟的特别之处,这个时钟不仅使用汞原子,它还使用带电的汞离子。

因为离子是带电荷的原子,所以它们可以被包含在电磁“陷阱”当中,这使得原子无法与真空室的壁面相互作用(这是普通原子钟中中性原子的一个常见问题,当它们与真空壁相互作用时,诸如温度之类的环境变化会引起原子本身的变化,导致出现频率误差)。

据美国宇航局称,深空原子钟不会受到这种环境变化的影响,因此将比GPS卫星上使用的原子钟稳定50倍。在周一发射升空之后,科学家们将能够开始测试时钟的精度。

该深空原子钟将搭载位于佛罗里达州肯尼迪航天中心的SpaceX猎鹰重型火箭升空,与之一同发射的还有另外23个有效载荷。持续4小时的发射窗口将在美国东部时间晚上11:30(格林尼治时间6月25日0330)开始。(前瞻网)

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