Team skaber og demonstrerer den første kvantesensor til satellitgravimetri

NASA og Sunnyvale, Californien-baserede AOSense, Inc., har med succes bygget og demonstreret en prototype kvantesensor, der er i stand til at opnå meget følsomme og nøjagtige tyngdekraftsmålinger - et springbræt mod næste generations geodæsi, hydrologi, og klimaovervågningsmissioner i rummet.

Prototypesensoren, udviklet i samarbejde med NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, anvender en revolutionerende måleteknik kaldet atominterferometri, som tidligere amerikanske energiminister Steven Chu og hans kolleger opfandt i slutningen af ​​1980'erne. I 1997, Chu modtog Nobelprisen i fysik for sit arbejde.

Siden opdagelsen, forskere verden over har forsøgt at bygge praktiske, kompakt, mere følsomme kvantesensorer, såsom atominterferometre, som videnskabsmænd kunne bruge i områder med begrænset plads, inklusive rumfartøjer.

Med finansiering fra NASA's Small Business Innovation Research, Instrument inkubator, og Goddards interne forsknings- og udviklingsprogrammer, Goddard-AOSense-holdet udviklede et atomoptisk gravitationsgradiometer primært til at kortlægge Jordens tidsvarierende gravitationsfelt. Selvom Jordens gravitationsfelt ændrer sig af forskellige årsager, den væsentligste årsag er en ændring i vandmassen. Hvis en gletsjer eller en indlandsis smelter, dette ville påvirke massefordelingen og dermed Jordens gravitationsfelt

"Vores sensor er mindre end konkurrerende sensorer med lignende følsomhedsmål, " sagde Babak Saif, en Goddard optisk fysiker og samarbejdspartner i indsatsen. "Tidligere atominterferometerbaserede instrumenter inkluderede komponenter, der bogstaveligt talt ville fylde et rum. Vores sensor, i dramatisk sammenligning, er kompakt og effektiv. Det kunne bruges på et rumfartøj til at få et ekstraordinært datasæt til at forstå Jordens vandkredsløb og dens reaktion på klimaændringer. Faktisk, sensoren er en kandidat til fremtidige NASA-missioner på tværs af en række videnskabelige discipliner."

Atominterferometri fungerer meget som optisk interferometri, en 200 år gammel teknik brugt i videnskab og industri til at måle små forskydninger i objekter. Optisk interferometri opnår målinger ved at sammenligne lys, der er blevet delt mellem to forskellige veje. Når bjælkerne fra disse to stier rekombinerer, de skaber et interferens-kantmønster, som videnskabsmænd inspicerer for at opnå meget præcise målinger.

Atom interferometri, imidlertid, hængsler på kvantemekanik, teorien, der beskriver, hvordan stof opfører sig på submikroskopiske skalaer. atomer, som er meget følsomme over for gravitationssignaler, kan også lokkes til at opføre sig som lysbølger. Specielle pulserende lasere kan opdele og manipulere atombølger til at rejse forskellige veje. De to atombølger vil interagere med tyngdekraften på en måde, der påvirker interferensmønsteret, der produceres, når de to bølger rekombinerer. Forskere kan derefter analysere dette mønster for at opnå et ekstraordinært nøjagtigt mål for gravitationsfeltet.

I særdeleshed, holdet ser på sin kvantesensor som en potentiel teknologi til at indsamle den type data, der i øjeblikket produceres af NASA's Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) Follow-On mission. GRACE-FO er en to-satellit-mission, der har genereret månedlige gravitationskort, der viser, hvordan massen er fordelt, og hvordan den ændrer sig over tid. På grund af sin ekstraordinære præcision, kvantesensoren kunne eliminere behovet for et to-satellitsystem eller give endnu større nøjagtighed, hvis den blev indsat på en anden satellit i en komplementær bane, sagde Lee Feinberg, en Goddard optikekspert også involveret i indsatsen.

"Med denne nye teknologi, vi kan måle ændringerne i Jordens tyngdekraft, der kommer fra smeltende iskapper, tørke, og dræning af underjordiske vandforsyninger, stærkt forbedret på den banebrydende GRACE-mission, " sagde John Mather, en Goddard-videnskabsmand og vinder af Nobelprisen i fysik i 2006 for sit arbejde med NASA's Cosmic Background Explorer, der hjalp med at cementere big-bang-teorien om universet.

Instrumentet, imidlertid, kan bruges til at besvare andre videnskabelige spørgsmål.

"Vi kan måle den indre struktur af planeter, måner, asteroider, og kometer, når vi sender sonder for at besøge dem. Teknologien er så kraftfuld, at den endda kan udvide de nobelvindende målinger af gravitationsbølger fra fjerne sorte huller, observere i et nyt frekvensområde, " sagde Mather, med henvisning til bekræftelsen i 2015 af kosmiske gravitationsbølger - bogstaveligt talt, krusninger i rum-tidens stof, der stråler ud i alle retninger, ligesom det, der sker, når en sten bliver kastet i en dam. Siden den første bekræftelse, Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory og European Virgo-detektorer har opdaget andre hændelser.

Siden 2004 har AOSense har udviklet kvantesensorer og atomure, med bred ekspertise og kapacitet, der spænder over alle aspekter af udvikling og karakterisering af avancerede sensorer til præcis navigation og timing.