Космические корабли, которые отправляются в дальний космос, полагаются на связь с наземными станциями на Земле, чтобы выяснить, где они находятся и куда направляются.

Атомные часы для дальнего космоса NASA работают над тем, чтобы дать этим отдаленным станциям больше автономии при навигации.

В новой статье, опубликованной в журнале Nature, ученые сообщают о прогрессе в своей работе по улучшению способности космических атомных часов постоянно измерять время в течение длительных периодов времени.

Эта функция, известная как стабильность, также влияет на работу спутников GPS, которые помогают людям ориентироваться на Земле, поэтому эта работа также может повысить автономность космических кораблей GPS следующего поколения.

Чтобы рассчитать траекторию дальнего космического корабля, инженеры отправляют сигналы с космического корабля на Землю и обратно. Они используют на земле атомные часы размером с холодильник для регистрации времени этих сигналов, что важно для точного измерения положения космического корабля. Но для роботов-исследователей на Марсе или в более отдаленных местах ожидание сигналов для полета может достигать десятки минут или даже часов.

Если бы на этих космических кораблях были атомные часы, то они могли бы вычислять свое собственное положение и направление, но часы должны были бы быть очень стабильными. Спутники GPS несут атомные часы, чтобы помочь нам добраться до наших пунктов назначения на Земле, но эти часы требуют обновления несколько раз в день для поддержания необходимого уровня стабильности. Для полетов в дальний космос потребуются более стабильные космические часы.

Управляемые Лабораторией реактивного движения NASA в Южной Калифорнии, Атомные часы в дальнем космосе работают на борту космического корабля General Atomic Orbital Test Bed с июня 2019 года. Новое исследование сообщает, что команда миссии установила новый рекорд долгосрочной стабильности атомных часов в космос, что более чем в 10 раз превышает стабильность нынешних космических атомных часов, в том числе на спутниках GPS.

Все атомные часы имеют некоторую степень нестабильности, которая приводит к смещению времени часов по сравнению с фактическим временем. Если его не исправить, смещение, хотя и небольшое, но быстро увеличивается, и с навигацией космического корабля даже крошечное смещение может иметь серьезные последствия.

Одна из ключевых целей миссии Deep Space Atomic Clock состояла в том, чтобы измерить стабильность часов в течение более длительных периодов времени, чтобы увидеть, как они меняются со временем. В своей работе команда ученых сообщает об уровне стабильности, который приводит к отклонению во времени менее чем на четыре наносекунды после более чем 20 дней работы.

"Как правило, неопределенность во времени в одну наносекунду соответствует неопределенности расстояния около одного фута", — сказал Эрик Берт, физик по атомным часам из миссии JPL и соавтор новой статьи.

"Некоторые часы GPS необходимо обновлять несколько раз в день, чтобы поддерживать такой уровень стабильности, а это означает, что GPS сильно зависит от связи с землей. Атомные часы Deep Space увеличивают этот срок до недели или более, что потенциально дает такому приложению, как GPS, большую автономию", — добавил он.

Стабильность и последующая задержка по времени, о которых сообщается в новой работе, примерно в пять раз лучше, чем то, что сообщила команда весной 2020 года. Более длительные периоды эксплуатации и почти полный год дополнительных данных позволили повысить точность их измерения.

Миссия Deep Space Atomic Clock завершится в августе, но NASA объявило, что работа над этой технологией продолжается: Deep Space Atomic Clock-2, улучшенная версия ультрасовременного хронометра, будет летать на VERITAS (сокращенно от излучения Венеры, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy) к Венере.

Как и его предшественник, новые космические часы представляют собой демонстрацию технологий, а это означает, что их цель — улучшить космические возможности путем разработки инструментов, оборудования, программного обеспечения и тому подобного, которого в настоящее время не существует. Созданный JPL и финансируемый Управлением космических технологий NASA (STMD), сверхточный тактовый сигнал, генерируемый с помощью этой технологии, может помочь обеспечить автономную навигацию космического корабля и улучшить радиологические наблюдения в будущих миссиях.

"Выбор НАСА Deep Space Atomic Clock-2 на VERITAS говорит об обещании этой технологии. На VERITAS мы стремимся испытать эти космические часы следующего поколения и продемонстрировать их потенциал для навигации и науки в дальнем космосе", — сказал Тодд Эли, главный исследователь и руководитель проекта в JPL.