Questa immagine dimostra il controllo che il team Goddard-AOSense ha sui percorsi degli atomi. In questa dimostrazione, hanno manipolato il percorso per formare l'acronimo, NASA. Credito:AOSense, Inc.
NASA e Sunnyvale, AOSense con sede in California, Inc., hanno costruito e dimostrato con successo un prototipo di sensore quantistico in grado di ottenere misurazioni della gravità altamente sensibili e accurate, un trampolino di lancio verso la geodesia di prossima generazione, idrologia, e missioni di monitoraggio del clima nello spazio.
Il prototipo del sensore, sviluppato in collaborazione con il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, impiega una tecnica di misurazione rivoluzionaria chiamata interferometria atomica, che l'ex segretario del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti Steven Chu e i suoi colleghi hanno inventato alla fine degli anni '80. Nel 1997, Chu ha ricevuto il premio Nobel per la fisica per il suo lavoro.
Dalla scoperta, ricercatori di tutto il mondo hanno tentato di costruire pratiche, compatto, sensori quantistici più sensibili, come interferometri atomici, che gli scienziati potrebbero usare in aree ristrette di spazio, compreso il veicolo spaziale.
Con i finanziamenti della Small Business Innovation Research della NASA, Incubatrice dello strumento, e i programmi interni di ricerca e sviluppo di Goddard, il team Goddard-AOSense ha sviluppato un gradiometro gravitazionale con ottica atomica principalmente per mappare il campo gravitazionale variabile nel tempo della Terra. Sebbene il campo gravitazionale terrestre cambi per una serie di motivi, la causa più significativa è un cambiamento nella massa d'acqua. Se un ghiacciaio o una calotta glaciale si scioglie, questo influenzerebbe la distribuzione della massa e quindi il campo gravitazionale terrestre
"Il nostro sensore è più piccolo dei sensori concorrenti con obiettivi di sensibilità simili, " disse Babak Saif, un fisico ottico Goddard e collaboratore nello sforzo. "I precedenti strumenti basati sull'interferometro atomico includevano componenti che avrebbero letteralmente riempito una stanza. Il nostro sensore, a confronto drammatico, è compatto ed efficiente. Potrebbe essere utilizzato su un veicolo spaziale per ottenere uno straordinario set di dati per comprendere il ciclo dell'acqua della Terra e la sua risposta ai cambiamenti climatici. Infatti, il sensore è un candidato per future missioni della NASA in una varietà di discipline scientifiche."
L'interferometria atomica funziona in modo molto simile all'interferometria ottica, una tecnica vecchia di 200 anni utilizzata nella scienza e nell'industria per misurare piccoli spostamenti negli oggetti. L'interferometria ottica ottiene misurazioni confrontando la luce che è stata divisa tra due percorsi diversi. Quando i raggi di questi due percorsi si ricombinano, creano uno schema di interferenza che gli scienziati controllano per ottenere misurazioni altamente precise.
Il team Goddard-AOSense ha costruito questo gradiometro gravitazionale terrestre proof-of-concept. Credito:AOSense, Inc.
interferometria atomica, però, dipende dalla meccanica quantistica, la teoria che descrive come si comporta la materia su scale submicroscopiche. atomi, che sono molto sensibili ai segnali gravitazionali, può anche essere indotto a comportarsi come onde luminose. Speciali laser a impulsi possono dividere e manipolare le onde atomiche per percorrere percorsi diversi. Le due onde atomiche interagiranno con la gravità in un modo che influenza lo schema di interferenza prodotto una volta che le due onde si ricombinano. Gli scienziati possono quindi analizzare questo modello per ottenere una misura straordinariamente accurata del campo gravitazionale.
In particolare, il team sta guardando al suo sensore quantistico come una potenziale tecnologia per raccogliere il tipo di dati attualmente prodotti dalla missione Follow-On della NASA Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). GRACE-FO è una missione a due satelliti che ha generato mappe gravitazionali mensili che mostrano come viene distribuita la massa e come cambia nel tempo. Grazie alla sua straordinaria precisione, il sensore quantistico potrebbe eliminare la necessità di un sistema a due satelliti o fornire una precisione ancora maggiore se distribuito su un secondo satellite in un'orbita complementare, disse Lee Feinberg, anche un esperto di ottica Goddard coinvolto nello sforzo.
"Con questa nuova tecnologia, possiamo misurare i cambiamenti della gravità terrestre che provengono dallo scioglimento delle calotte glaciali, siccità, e drenare le acque sotterranee, migliorando notevolmente la missione pionieristica GRACE, " ha detto John Mather, uno scienziato Goddard e vincitore del Premio Nobel per la Fisica nel 2006 per il suo lavoro sul Cosmic Background Explorer della NASA che ha contribuito a cementare la teoria del big-bang dell'universo.
Lo strumento, però, potrebbe essere utilizzato per rispondere ad altre domande scientifiche.
"Possiamo misurare la struttura interna dei pianeti, lune, asteroidi, e comete quando inviamo sonde a visitarle. La tecnologia è così potente che può persino estendere le misurazioni vincitrici del Nobel delle onde gravitazionali da buchi neri distanti, osservando in una nuova gamma di frequenze, "Madre ha detto, riferendosi alla conferma nel 2015 delle onde gravitazionali cosmiche - letteralmente, increspature nel tessuto dello spazio-tempo che si irradiano in tutte le direzioni, molto simile a quello che succede quando un sasso viene lanciato in uno stagno. Da quella prima conferma, il Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory e i rivelatori europei Virgo hanno rilevato altri eventi.
Dal 2004, AOSense ha sviluppato sensori quantistici e orologi atomici, con un'ampia esperienza e capacità che abbracciano tutti gli aspetti dello sviluppo e della caratterizzazione di sensori avanzati per la navigazione e il cronometraggio di precisione.
