Исследователи из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) в Южной Калифорнии, при участии частных компаний и академических институтов, разрабатывают первый в истории космический квантовый датчик для измерения гравитации. Этот амбициозный проект осуществляется при поддержке Управления наук о Земле NASA (ESTO) и может стать прорывом не только в понимании земного притяжения, но и в наблюдении за изменениями под поверхностью планеты.
Гравитация как источник информации
Гравитационное поле Земли постоянно меняется. Перераспределение массы из-за тектонической активности, подземных вод или таяния ледников вызывает микроскопические колебания силы тяжести. Для человеческого организма эти колебания незаметны, но высокочувствительные приборы — гравитационные градиентометры — способны их фиксировать. Такие измерения позволяют учёным находить подземные структуры: водоносные горизонты, месторождения полезных ископаемых, пустоты и даже движения магмы.
Гравитационные карты используются в навигации, геологоразведке, управлении водными ресурсами и в системах национальной безопасности. «Мы смогли определить массу Гималаев с помощью атомов», — говорит Джейсон Хион, главный технолог по наукам о Земле в JPL и директор Центра квантовых космических инноваций. Команда Хиона представила концепцию своего прибора в научном журнале EPJ Quantum Technology.
Как работает квантовый градиентометр
В классических гравитационных приборах разницу в гравитации измеряют по ускорению двух объектов, падающих с небольшой разницей в положении. Но в квантовом датчике роль этих объектов выполняют два облака ультрахолодных атомов. Охлаждённые до температуры, близкой к абсолютному нулю, эти атомы ведут себя как волны. Разница в их ускорении позволяет с беспрецедентной точностью определить градиент гравитационного поля.
Атомные волны обладают высокой стабильностью, что делает измерения менее чувствительными к шумам и изменениям окружающей среды. «Мы можем быть уверены, что все измерения будут одинаковыми. Это преимущество атомов», — поясняет Шэн-Вэй Чиу, физик-экспериментатор из JPL.
Компактность и точность нового прибора
Размер квантового гравитационного сенсора — всего около 0,25 кубических метра, а вес — 125 килограммов. Это значительно меньше и легче по сравнению с традиционными спутниковыми гравиметрами. Его можно разместить на относительно небольшом космическом аппарате, а чувствительность будет на порядок выше. По предварительным оценкам, новый датчик способен в десять раз точнее фиксировать изменения гравитационного поля, чем существующие приборы.
Новая эра квантовой гравитации
Главная цель предстоящей миссии — проверка технологии в условиях космоса. Запуск ожидается в конце десятилетия. До сих пор ни один спутник не использовал подобные приборы. Ученым важно убедиться, что квантовая система сможет стабильно работать в условиях невесомости, вибраций и перепадов температур. «Нам нужно провести лётные испытания, чтобы понять, насколько хорошо работает прибор. Это позволит улучшить не только квантовый гравитационный сенсор, но и квантовые технологии в целом», — говорит Бен Стрэй из JPL.
Применение и потенциал
Если миссия пройдёт успешно, такие сенсоры смогут стать стандартом в наблюдении за изменениями климата, уровнями подземных вод, землетрясениями и даже извержениями вулканов. Кроме того, квантовые датчики помогут в исследовании других планет, где классические методы геофизики использовать невозможно.
Инновации в области квантовых измерений также открывают путь к новому классу космических телескопов и средств связи, использующих взаимодействие света и материи на субатомном уровне. Это направление тесно связано с будущим квантовых вычислений и коммуникаций.
Заключение
Разработка первого квантового гравитационного сенсора для космоса знаменует собой важный этап в развитии как гравиметрии, так и квантовой физики. NASA и её партнёры создают технологию, способную кардинально изменить способы, с помощью которых мы изучаем Землю и другие планеты. Квантовый подход к измерению гравитации обещает открыть новые горизонты в науке, инженерии и устойчивом управлении ресурсами планеты.