Исследователи из Лаборатории реактивного движения НАСА, нескольких частных компаний и академических институтов США разрабатывают первый космический квантовый датчик для измерения гравитации.
Ожидается, что эта миссия станет первой, которая позволит провести квантовое зондирование и проложит путь к наблюдениям нового типа за всем, что присутствует в недрах планеты, от залежей нефти и полезных ископаемых до мировых запасов пресной воды.
Гравитационное поле Земли постоянно изменяется. Геологические процессы перераспределяют массу по поверхности нашей планеты, а, как известно, от массы зависит и гравитация.
Люди не замечают эти порой ничтожные изменения, но их измерение можно доверить гравитационным градиентометрам, которые имеют сверхвысокую чувствительность. Ученые давно хотят заполучить в свое пользование подобные инструменты, так как по этим изменениям они смогут вычислять подземные объекты, такие, как водоносные горизонты и месторождения полезных ископаемых. Построенные гравитационные карты также будут нужны для навигации, управления ресурсами и национальной безопасности.
Гравитационные градиометры могут очень точно определять, насколько быстро на землю падает объект в одной точке планеты по сравнению с объектом, падающим на небольшом расстоянии от первого. Разница в ускорении между этими двумя свободно падающими объектами соответствует разнице в гравитационной силе в двух точках пространства.
Новый квантовый датчик НАСА под названием Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (QGGPf) будет использовать два облака ультрахолодных атомов рубидия в качестве тех самых свободно падающих объектов.
Генеральный директор Российского квантового центра Максим Острась рассказал Науке Mail о принципах работы такого оборудования.
Основным принципом работы таких гравитационных градиометров являются атомные интерферометры. Они используют ультрахолодные атомы, охлажденные до миллионных долей выше абсолютного нуля, чтобы измерять крохотные изменения силы тяжести на разных точках пространства. Такие изменения могут возникать, например, из-за плотности подземных структур, таких, как скопления руды, подземные пещеры, водоносные горизонты или даже лавовые запасы
Использование атомов позволяет измерять гравитацию с помощью компактного прибора, который можно поместить на борту одного космического аппарата. QGGPf будет иметь объем около 0,25 кубических метра и весить всего около 125 кг. То есть он будет меньше и легче традиционных космических гравитационных приборов.
«Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder — это важный шаг в направлении более широкого применения квантовых технологий в повседневной жизни и научных исследованиях. Устройства такого типа обещают быть намного более компактными, эффективными и точными по сравнению с традиционными гравиметрами», — добавил Максим Острась.
Согласно некоторым оценкам, квантовый гравитационный датчик может быть в 10 раз более чувствительным при измерении гравитации, чем классические датчики. Проверку работоспособности данной технологии ученые планируют на конец десятилетия.
«Никто еще не пытался запустить [в космос] один из этих инструментов, — сказал Бен Стрэй, научный сотрудник JPL. — Нам нужно запустить его, чтобы выяснить, насколько хорошо он будет работать, и это позволит нам не только усовершенствовать квантовый гравитационный градиентометр, но и квантовые технологии в целом».
Кроме того, открытия, которые будут сделаны в ходе подобной миссии, помогут лучше изучить Землю и ее недра, а также далекие планеты и роль гравитации в формировании космоса.
