Resumo interno:
- ACES, uma missão liderada pela Agência Espacial Europeia, utiliza relógios atómicos dentro da ISS para testar a teoria da relatividade geral de Einstein e para explorar a dinâmica física fundamental.
- Os relógios funcionais, PHARAO e SHM, amplificam as transformações quânticas nos átomos para alcançar uma precisão sem precedentes, incluindo estabilidade temporal e precisão a longo prazo.
- Ao transmitir sinais de tempo precisos em todo o mundo, o ACES pode estabelecer uma rede global de comparadores de relógios em tempo real, que podem refinar padrões de tempo e apoiar a “geodésia cronométrica” para medir variações na gravidade.
- ACES planeja confirmar ou desafiar as propriedades da relatividade geral, com implicações para GPS, sistemas de navegação globais e futuras tecnologias quânticas baseadas no espaço.
Os relógios atômicos, que dependem das flutuações quânticas de átomos como o césio e o hidrogênio, usam essas vibrações atômicas para alcançar a máxima precisão na cronometragem. Essa precisão apoia o estabelecimento de posicionamento global, comunicações e experimentos de física fundamental. Uma aplicação em andamento é a missão Atomic Clock Ensemble in Space (ACES), desenvolvida pela Agência Espacial Europeia, em colaboração com a Airbus Defence and Space, Safran Timing Technologies e outras para colocar relógios atômicos de alto desempenho na Estação Espacial Internacional (). ISS). ).
O objetivo desta missão é testar a teoria da relatividade geral de Einstein e pesquisar as constantes fundamentais de uma forma que nunca foi possível antes. De acordo com a equipa de investigação da ACES, conforme descrito numa publicação recente no arXiv, a missão também envolve testar um conjunto de ferramentas baseadas em tecnologia quântica para redefinir como o tempo é medido e sincronizado em todo o mundo.
Cronometragem de precisão em órbita
Os dois relógios que representam o trabalho do ACES são o PHARAO (Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) e o SHM (Space Hydrogen Maser). Enquanto o PHARAO utiliza átomos de césio resfriados a laser para alcançar estabilidade de frequência a longo prazo, o SHM atua como um oscilador ativo, fornecendo uma frequência de referência muito estável. Os dois relógios trabalham em paralelo para produzir um sinal horário com precisão incomparável.
De acordo com os pesquisadores, PHARAO e SHM juntos formam um sinal de relógio com estabilidade de curto prazo do SHM e precisão de longo prazo do PHARAO, permitindo ao sistema ACES manter uma estabilidade de frequência fracionária de 1 × 10⁻¹⁶ – nível de precisão. isso torna mensuráveis até mesmo pequenos desvios.
Um resultado esperançoso de toda a pesquisa é espalhar este sinal de tempo altamente preciso por todo o mundo. Ao transmitir o sinal da ISS para várias estações terrestres via Microwave Link, a missão poderia estabelecer uma rede global para comparação de relógios em tempo real. Estas comparações podem ser usadas para refinar padrões de tempo e “geodésia cronométrica” – uma técnica que permite aos investigadores medir pequenas diferenças na gravidade entre diferentes locais. Conforme explicado pela equipa do ACES, estas medições permitem um rastreamento preciso do campo gravitacional da Terra, o que pode levar a novos conhecimentos sobre a estrutura do nosso planeta e até mesmo à descoberta da matéria escura com os seus efeitos subtis no relógio atómico.
Colocando Einstein à prova
A teoria da relatividade geral de Einstein mudou a forma como entendemos a gravidade, sugerindo que não é apenas uma força, mas uma deformação do próprio espaço-tempo, muito semelhante a um tecido flexível que se estica e dobra sob o peso de objetos massivos como planetas e estrelas. Um artefato desse efeito dinâmico é o desvio para o vermelho gravitacional – um fenômeno no qual o próprio tempo parece desacelerar à medida que nos aproximamos de um objeto maior. Isto significa que um relógio colocado mais perto da Terra, onde a atração gravitacional é mais forte, irá funcionar mais lentamente do que um relógio mais distante no espaço. Em outras palavras, a gravidade e o tempo estão intimamente ligados.
A missão ACES leva este conceito para além da teoria, apresentando uma rara oportunidade de observar o desvio para o vermelho da gravidade num ambiente do mundo real com um notável grau de precisão. Instalados na Estação Espacial Internacional, os relógios ACES compararão os sinais de tempo entre o espaço e a Terra para detectar até as menores variações causadas pela atração gravitacional. De acordo com a equipe de pesquisa, o ACES planeja alcançar maior precisão do que os experimentos anteriores, um nível de precisão que permitirá aos cientistas não apenas testar as previsões de Einstein, mas também testar se a nossa compreensão da gravidade ainda se mantém sob tais testes – ou se pode resistir. contra o verdadeiro teste do tempo.
Se o ACES encontrar resultados que se desviam das ideias existentes, poderá levar a novas ideias e rever a nossa compreensão da física básica. Por outro lado, se o objetivo garantir a correlação geral, o elevado nível de precisão alcançado apoiará tecnologias que dependem da manutenção precisa do tempo, como o GPS e os sistemas de navegação global.
Teste de tempo
A capacidade de medir o tempo com tanta precisão tem implicações profundas para todos os campos da ciência. Desde fornecer a base para a nova física até melhorar a nossa compreensão dos campos gravitacionais, espera-se que a missão do ACES afecte tanto a ciência teórica como a aplicada. Para além da investigação pura, a rede mecânica de relógios atómicos tem o potencial de promover a geodésia, ajudando a melhorar a tecnologia de observação da Terra e a nossa compreensão do clima e dos processos tectónicos.
Contudo, o projecto ACES também enfrenta desafios técnicos significativos. Uma limitação vem da operação complexa do relógio de césio resfriado a laser integrado, PHARAO e SHM. De acordo com a equipe de pesquisa, atingir os níveis exigidos de estabilidade e precisão na área requer extensos testes e medições para superar problemas como colisões atômicas e mudanças de fase de cavidade. Além disso, os efeitos da degradação do sinal e da interferência de ruído durante a transmissão espaço-solo através de um link de micro-ondas exigem técnicas de mitigação para manter a sincronização e a integridade dos dados em todo o alcance.
Outro desafio é a necessidade de um controle ambiental preciso para manter a precisão do relógio PHARAO, já que mesmo pequenas flutuações na temperatura podem afetar as mudanças atômicas que criam a sua cronometragem. Para lidar com isso, o objetivo inclui vários sistemas de servo-loop para estabilizar relógios em escalas de tempo curtas e longas. Esses sistemas, embora eficientes, acrescentam camadas de complexidade às operações de carga útil.
Mas, infelizmente, só o tempo dirá. Ao entrar na sua fase operacional, o ACES tem a oportunidade de avançar na cronometragem global e estabelecer o precedente para futuras experiências em tecnologia quântica baseada no espaço.
Os autores que contribuíram para o estudo incluem L. Cacciapuoti, A. Busso, R. Jansen, S. Pataraia, T. Peignier, S. Weinberg, P. Crescent, A. Helm, J. Kehrer, S. Koller, R. Lachaud, T. Niedermaier, F.-X . Esnault, D. Massonnet, D. Goujon, J. Pittet, A. Perri, Q. Wang, S. Liu, W. Schaefer, T. Schwall, I. Prochazka, A. Schlicht, U. Schreiber, P. Laurent, M. Lilley, P. Wolf e C. Salomão.
