美国宇航局的深空原子钟将改变空间探索

庆祝美国国家航空航天局的深空出色时钟的海报。使命将展示允许航天器计算自己的轨迹的技术，而不是等待来自地球的信息。

什么是原子钟？

时钟在滴答作响：一种可以改变人类探索空间的技术示范，即2019年6月24日的目标发布日期。“深空原子钟”是由美国宇航局喷气推进实验室在加利福尼亚州帕萨迪纳开发的，它是对基于卫星的原子钟的重大升级，例如，可以在手机上启用GPS。

最终，这项新技术可以使航天器导航到火星等遥远的地方更加自主。但是什么是原子钟？它们如何在太空导航中使用，又是什么使“深空原子钟”与众不同？继续阅读以获得所有答案。

为什么我们使用时钟在太空中导航？

为了确定航天器与地球的距离，导航员会向航天器发送信号，然后再将其返回到地球。信号进行双向飞行所需的时间揭示了航天器与地球的距离，因为信号以已知的速度（光速）传播。

虽然这听起来很复杂，但我们大多数人每天都在使用这个概念。杂货店可能距离您的房子有30分钟的步行路程。如果您知道您可以在20分钟内走一英里，那么您可以计算到商店的距离。

通过发送多个信号并随时间进行多次测量，导航员可以计算出航天器的轨迹：它的位置和前进方向。

从手表到人造卫星，大多数现代时钟都使用石英晶体振荡器来计时。这些设备利用了这样的事实，即在向其施加电压时，石英晶体会以精确的频率振动。水晶的振动就像祖父钟摆一样，勾勒出经过了多少时间。

要知道航天器在仪表中的位置，导航员需要具有精确时间分辨率的时钟，这些时钟可以测量十亿分之一秒。

导航器还需要非常稳定的时钟。“稳定性”是指时钟如何持续测量一个时间单位；例如，它在几天和几周内对一秒长度的度量必须相同（以至于优于十亿分之一秒）。

原子与时钟有什么关系？

根据太空航行标准，石英钟不是很稳定。仅一个小时后，即使是性能最佳的石英振荡器也可以关闭一纳秒（十亿分之一秒）。六周后，它们可能会偏离整整毫秒（千分之一秒），或者距离误差为185英里（300公里）。这将对测量快速移动的航天器的位置产生巨大影响。

原子钟将石英晶体振荡器与一组原子结合在一起，以实现更高的稳定性。美国宇航局的深空原子钟将在四天后关闭不到一纳秒，而在十年后将关闭一微秒（百万分之一秒）。这相当于每1000万年仅减少一秒钟。

原子由被电子包围的原子核（质子和中子组成）组成。元素周期表上的每个元素代表一个原子，原子核中具有一定数量的质子。聚集在原子核周围的电子数量可以变化，但是它们必须占据离散的能级或轨道。

微波形式的能量颠簸会导致电子上升到原子核周围更高的轨道。电子必须准确地接收适量的能量，这意味着微波必须具有非常特定的频率，以使其发生跳跃。

使电子改变轨道所需的能量在每个元素中都是唯一的，并且在整个宇宙中对于给定元素的所有原子都是一致的。例如，使碳原子中的电子改变能级所需的频率对于宇宙中的每个碳原子都是相同的。深空原子钟使用汞原子。为了使这些电子改变能级，必须使用不同的频率，并且该频率对于所有汞原子都是一致的。

JPL原子钟物理学家埃里克·伯特（Eric Burt）说：“这些轨道之间的能量差是如此精确和稳定的事实，确实是原子钟的关键因素。”“这就是原子钟可以达到超越机械钟的性能水平的原因。”

能够测量特定原子中这种不变的频率，为科学提供了一种通用的，标准化的时间测量方法。（“频率”是指在给定的时间单位内经过空间中特定点的波数。因此，通过计算波浪数，可以测量时间。）实际上，一秒长度的正式度量取决于使电子在铯原子的两个特定能级之间跳跃所需的频率。

在原子钟中，石英振荡器的频率转换为应用于原子集合的频率。如果导出的频率正确，它将导致原子中的许多电子改变能级。如果频率不正确，则更少的电子将跳跃。这将确定石英振荡器是否失频以及频率失调多少。然后可以将由原子确定的“校正”应用于石英振荡器，以将其控制回正确的频率。计算这种类型的校正，并在深空原子钟中每隔几秒钟将其应用于石英振荡器。

深空原子钟有什么独特之处？

原子钟用于环绕地球运行的GPS卫星上，但即使每天也必须发送两次，以纠正时钟的自然漂移。这些更新来自地面上更稳定的原子钟，该原子钟很大（通常是冰箱的大小），而设计目的并不是为了适应进入太空的物理需求。

NASA的“深空原子钟”比GPS卫星的原子钟稳定多达50倍，旨在成为有史以来在太空中飞行的最稳定的原子钟。它通过使用汞离子来实现这种稳定性。

离子是具有净电荷而不是电中性的原子。在任何原子钟中，原子都包含在真空室中，并且在其中一些钟中，原子与真空室壁相互作用。然后，诸如温度之类的环境变化将导致原子发生类似变化，并导致频率误差。许多原子钟使用中性原子，但是由于汞离子带有电荷，它们可以包含在电磁“陷阱”中以防止发生这种相互作用，从而使深空原子钟达到了新的精度水平。

对于去往火星或其他行星等遥远目的地的任务，这种精确度使得自动导航成为可能，而与地球之间的通讯却很少，这是当前航天器导航方式的巨大改进。

深度空间原子钟托管在Colorado的一般原子电磁系统提供的航天器上。它由美国宇航局空间技术特派团中的技术示范特派团计划和美国宇航局人力勘探和运营任务任务总局内的空间通信和导航计划提供赞助。JPL管理项目。