Într-un salt semnificativ pentru tehnologia spațială și pentru studiul fizicii cuantice, cercetătorii de la Jet Propulsion Laboratory al NASA din California de Sud, companii private și instituții academice dezvoltă primul senzor cuantic pentru măsurarea gravitației utilizat în spațiul cosmic. Sprijinită de Biroul de Tehnologie pentru Știința Pământului (ESTO) al NASA, această misiune va marca o premieră pentru detectarea cuantică și va deschide calea pentru observații inovatoare, de la rezervele de petrol până la rezervele globale de apă dulce a anunțat NASA.
Câmpul gravitațional al Pământului este dinamic, schimbându-se în fiecare zi pe măsură ce procesele geologice redistribuie masa pe suprafața planetei noastre. Cu cât masa este mai mare, cu atât gravitația este mai mare.
Nu se pot observa modificări subtile ale gravitației precum activitatea noastră în timpul zilei, dar cu instrumente sensibile numite gradiometre gravitaționale, oamenii de știință pot cartografia nuanțe majore ale câmpului gravitațional al Pământului și le pot corela cu caracteristicile subterane precum acviferele și zăcămintele minerale. Aceste hărți gravitaționale sunt esențiale pentru navigație, gestionarea resurselor și securitatea națională.
„Am putea determina masa masivului muntos Himalaya folosind atomi”, a spus Jason Hyon, tehnolog șef pentru Știința Pământului la JPL și director al Centrului de inovare spațială cuantică al JPL. Hyon și colegii săi au prezentat conceptele din spatele instrumentului lor Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (QGGPf) într-o lucrare recentă din EPJ Quantum Technology.
Gradiometrele gravitaționale urmăresc cât de repede cade un obiect dintr-o locație în comparație cu un obiect care cade la o mică distanță. Diferența de accelerație dintre aceste două obiecte în cădere liberă, cunoscute și sub numele de mase de test, corespunde diferențelor de forță gravitațională. Masele de test cad mai repede acolo unde gravitația este mai puternică.
QGGPf va folosi doi nori de atomi de rubidiu la temperaturi aproape de zero absolut (minus 273 de grade Celsius) ca mase de test. Răcite la această temperatură, particulele din acești nori se comportă ca niște valuri. Gradiometrul gravitațional cuantic va măsura diferența de accelerație dintre aceste unde de materie pentru a localiza anomaliile gravitaționale.
Utilizarea norilor de atomi ultra reci ca mase de testare este ideală pentru a se asigura că măsurătorile gravitaționale din spațiu rămân precise pe perioade lungi de timp, a explicat Sheng-wey Chiow, fizician experimental la JPL. „Cu atomi, pot garanta că fiecare măsurătoare va fi aceeași. Suntem mai puțin sensibili la efectele mediului asupra măsurătorilor.”
Utilizarea atomilor ca mase de testare face, de asemenea, posibilă măsurarea gravitației cu un instrument compact la bordul unei singure nave spațiale. QGGPf va avea un volum de aproximativ 0,25 metri cubi și va cântări doar aproximativ 125 de kilograme, mai mic și mai ușor decât instrumentele gravitaționale tradiționale din spațiu.
Senzorii cuantici au, de asemenea, potențialul de a crește sensibilitatea. Potrivit unor estimări, un instrument științific precum gradiometrul gravitațional cuantic ar putea fi de zece ori mai sensibil la măsurarea gravitației decât senzorii clasici.
Scopul principal al acestei misiuni de validare a tehnologiei, programată să fie lansată aproape de sfârșitul deceniului, va fi testarea unei colecții de tehnologii noi pentru manipularea interacțiunilor dintre lumină și materie la scară atomică.
„Nimeni nu a încercat încă să zboare cu unul dintre aceste instrumente”, a spus Ben Stray, cercetător postdoctoral la JPL. „Trebuie să-l lansăm în spațiu astfel încât să ne dăm seama cât de bine va funcționa și asta ne va permite nu numai să avansăm gradiometrul gravitațional cuantic, ci și tehnologia cuantică în general.”
Acest proiect de dezvoltare tehnologică implică colaborări semnificative între NASA și întreprinderile mici. Echipa de la JPL lucrează cu AOSense și Infleqtion pentru a avansa tehnologia senzorului, în timp ce Centrul de zbor spațial Goddard al NASA din Greenbelt, Maryland lucrează cu Vector Atomic pentru a avansa sistemul optic laser.
În cele din urmă, inovațiile realizate în timpul acestei misiuni de cercetare ar putea îmbunătăți capacitatea noastră de a studia Pământul și capacitatea noastră de a înțelege planetele îndepărtate și rolul pe care gravitația îl joacă în modelarea cosmosului. „Instrumentul QGGPf va duce la aplicații ale științei planetare și aplicații fundamentale ale fizicii”, a spus Hyon.
