技术

时钟'espace

在地球上和抛物线飞行中证明了它们的价值之后,冷原子钟将很快进入轨道,以进一步提高性能。

菲利普·洛朗(Philippe Laurent)和安德烈·克莱隆(AndréClairon) 科学档案N°42
原子钟的性能,例如Wayt Gibbs在文章中描述的铯133原子钟的性能,基本上取决于原子与微波的相互作用时间,微波会改变这些原子的内部能量状态。换句话说,信息的质量越好,观察的时间就越长。

在地面上,冷原子钟采用喷泉原理:将冷原子云向上发送到与微波相互作用的区域。因此,观察时间是腔内冷原子云飞行的持续时间(该持续时间服从弹道定律)。在两米高的设备中,此时间通常等于0.5秒。将此时间增加10倍需要将时钟高度乘以100,因为原子与微波的相互作用时间仅随着高度的平方根增加。

在失重状态下,该约束消失了,并且观测时间不再受冷原子云的热膨胀限制。尽管原子的温度是开尔文的百万分之一,但热搅拌的结果是每秒一厘米。因此,冷原子云的尺寸在几秒钟后达到几厘米的直径。在与微波相互作用一段时间后,时钟信号与激光探针检测到的冷原子数量成正比。因此,该信号随云的直径增加而减小,并且与系统的不确定性相比变得太小时达到极限。但是,此限制约为5秒,相当于120米高的地面时钟的限制!因此,太空中有冷原子的时钟的效率是地球上等效时钟的十倍。

对这种性能的追求并不是这些发展的最终目标。相反,它的目的是强调越来越多的无形物理效应或提高对已知效应的分辨率,其行为是理论物理学家界热烈辩论的主题。这些影响的范围从原子物理学(例如对原子相互作用的研究)到相对论(例如在引力场中测量光子的明显减慢速度或验证等价原理)自由落体和失重,或者在重力和加速运动之间。

作为法国计划的一部分 法老 (冷却原子轨道原子钟计划的缩写),我们正在开发冷原子空间钟 (见图3)。设想的第一个应用基本上涉及基础物理学中的实验。该计划由国家太空研究中心( 锥体)始于1993年,并继续发展巴黎国家高等师范学校的Kastler-Brossel实验室以及国家计量局和巴黎天文台的时空参照系统,冷原子钟。 1997年,由这些实验室制造的原型机在飞机上的抛物线飞行运动中进行了测试。 零G锥体 (见图2)。这项实验是成功的:它证明了紧凑型冷原子钟的可行性,并为这种钟的空间化铺平了道路。

同年,作为国际空间站未来使用的一部分(伊斯)航天局选择了一项欧洲计划进行18个月的飞行任务,命名为 王牌 (太空中的原子钟合奏(或空间中的一组原子钟),而冷原子钟的有效载荷由 锥体,是纳沙泰尔州天文台开发的一种氢微波激射器,是一种按时传输信息以比较车载时钟和地面时钟的方法。该传输设备是一种地面仪器,借助微波可以与船上的设备进行通讯。

该任务有两个目标:对冷原子钟的行为进行物理研究,以期达到10的精度–16 ;使用这组时钟的性能将它们与遍布全球的时钟(铯或其他原子)进行比较。该设备将为世界提供超稳定的时标,目标精度为每天10皮秒,比当前系统的性能高两个数量级,例如 全球定位系统.

这种“很多的计量学”也将在基础物理学中用于改善例如基本参数的测量,例如 g,引力常数,或者找到光速的可能各向异性。因此,许多物理学家会焦急地看着这些时钟进入轨道。

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