Questa immagine del laboratorio spaziale europeo Columbus è stata scattata dall'astronauta dell'ESA Luca Parmitano durante la sua passeggiata spaziale il 9 luglio 2013. Credito:ESA/NASA
La Stazione Spaziale Internazionale ospiterà gli orologi più precisi mai usciti dalla Terra. Precisi al secondo in 300 milioni di anni, gli orologi spingeranno la misurazione del tempo per testare i limiti della teoria della relatività e la nostra comprensione della gravità.
La teoria della relatività generale di Albert Einstein prevedeva che la gravità e la velocità influenzino il tempo, più veloce viaggi più il tempo rallenta, ma anche più gravità ti tira, più il tempo rallenta.
Il 29 maggio 1919 la teoria di Einstein fu messa alla prova per la prima volta quando Arthur Eddington osservò la luce "piegarsi" attorno al Sole durante un'eclissi solare. Quarant'anni dopo, l'esperimento Pound-Rebka ha misurato per la prima volta l'effetto del redshift indotto dalla gravità in un laboratorio, ma un secolo dopo gli scienziati stanno ancora cercando i limiti della teoria.
"La teoria della relatività descrive il nostro Universo su larga scala, ma al confine con la scala infinitesimale la teoria non stride e rimane incoerente con la meccanica quantistica, " spiega Luigi Cacciapuoti, Scienziato del progetto Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) dell'ESA. "I tentativi odierni di unificare la relatività generale e la meccanica quantistica prevedono violazioni del principio di equivalenza di Einstein".
Il principio di Einstein descrive in dettaglio come la gravità interferisce con il tempo e lo spazio. Una delle sue manifestazioni più interessanti è la dilatazione del tempo dovuta alla gravità. Questo effetto è stato dimostrato confrontando orologi a diverse altitudini come sulle montagne, nelle valli e nello spazio. Gli orologi ad altitudine più elevata mostrano che il tempo passa più velocemente rispetto a un orologio sulla superficie terrestre poiché c'è meno gravità dalla Terra quanto più sei lontano dal nostro pianeta.
Foto negativa dell'eclissi solare del 1919. Credito:Royal Astronomical Society
Volare a 400 km di altitudine sulla Stazione Spaziale, l'Atomic Clock Ensemble in Space effettuerà misurazioni più precise che mai.
Internet degli orologi
ACES creerà un "Internet degli orologi", collegando gli orologi atomici più precisi di tutto il mondo e confrontando il loro cronometraggio con quelli del laboratorio senza peso dell'umanità mentre vola sopra la testa.
Ingegneri dell'agenzia spaziale francese al lavoro sull'orologio spaziale atomico Pharao. Pharao fa parte dell'Atomic Clock Ensemble nello spazio, ASSI, che volerà verso la Stazione Spaziale Internazionale. Credito:CNES
Confrontare il tempo fino a una stabilità di centinaia di femtosecondi, un milionesimo di miliardesimo di secondo, richiede tecniche che spingono i limiti della tecnologia attuale. ACES ha due modi per gli orologi di trasmettere i loro dati, un collegamento a microonde e un collegamento ottico. Entrambe le connessioni scambiano segnali di temporizzazione bidirezionali tra le stazioni di terra e il terminale spaziale, quando il segnale di temporizzazione si dirige verso l'alto verso la Stazione Spaziale e quando ritorna sulla Terra.
L'accuratezza senza precedenti offerta da questa configurazione porta alcuni bei bonus all'esperimento ACES. Gli orologi a terra saranno confrontati tra loro fornendo misurazioni locali delle differenze geopotenziali, aiutando gli scienziati a studiare il nostro pianeta e la sua gravità.
Le frequenze dei collegamenti laser e microonde aiuteranno a capire come la luce e le onde radio si propagano attraverso la troposfera e la ionosfera fornendo così informazioni sul clima. Finalmente, l'internet degli orologi consentirà agli scienziati di distribuire l'ora e di sincronizzare i propri orologi in tutto il mondo per esperimenti su larga scala sulla Terra e per altre applicazioni che richiedono tempi precisi.
Modulo Columbus con ACES. Credito:ESA–D. Ducros
"La prossima generazione di orologi atomici e le tecniche di collegamento che stiamo sviluppando potrebbero un giorno essere utilizzate per osservare le stesse onde gravitazionali come proposta dalla missione LISA dell'ESA, "aggiunge Luigi, "ma in questo momento ACES ci aiuterà a testare nel miglior modo possibile la teoria della relatività generale di Einstein, alla ricerca di minuscole violazioni che, se trovato, potrebbe aprire una finestra su una nuova teoria della fisica che deve venire."
Gli orologi sono stati testati e integrati sul payload ACES e il collegamento a microonde per ACES è in fase di test prima dell'integrazione finale con l'esperimento completo. ACES sarà pronto per il lancio sulla Stazione Spaziale entro il 2020.
