Einstein überprüfen – Präzisionsexperimente mit Lasern im Weltraum

Vysoce výkonný vesmírný modul: Mikrointegrovaný prodloužený diodový laser s kyvetou (ECDL) pro spektroskopii u rubidiových atomů ve vesmíru. Dne 23.4.2015 byly na palubě výškové výzkumné rakety FOKUS provedeny testy. Cílem je ukázat, zda různé typy hodin ve vesmíru skutečně měří stejně, jak tvrdil Einstein. (© FBH/P.Immerz)

Podle Alberta Einsteina se hodiny zpomalují čím hlouběji jsou v gravitačním potenciálu hmoty – tedy čím jsou blíže například ke hvězdnému tělesu. Tento efekt je v rámci obecné teorie relativity označován jako gravitační červené posuvání – projevuje se posunem spektrálních čar směrem k červenému konci spektra. Obecná teorie relativity také předpovídá, že chod všech hodin je gravitačně ovlivněn stejným způsobem, bez ohledu na to, jak jsou tyto hodiny fyzikálně nebo technicky realizovány. Novější teorie gravitace však naznačují, že druh hodinek může mít skutečný vliv na sílu gravitačního červeného posuvu.

Pro otestování tohoto bylo v rámci projektu FOKUS, který financovalo Německé centrum pro letectví a kosmonautiku (DLR), dnes do vesmíru vysláno několik typů hodin pomocí výškové výzkumné rakety a následně vráceno zpět. Tam panují nejlepší podmínky pro testování, protože gravitační potenciál se zde mění obzvlášť výrazně. Tak je možné ověřit, zda se chod hodin skutečně liší – a nakonec také, zda některá z novějších teorií gravitace poskytuje přesnější popis než Einsteinova. První experimenty ve vesmíru byly nyní úspěšně provedeny: tým vědců vyslal do vesmíru vysoce stabilní kvartsový oscilátor, který „tiká“ v rádiovém frekvenčním pásmu jako moderní náramkové hodinky, a kompletní laserový systém pro srovnání. Srdcem laserového systému je mikrointegrovaný polovodičový laserový modul, který byl vyvinut, postaven a testován v Berlínském Ferdinand-Braun-Institutu, Leibnizově institutu pro vysokofrekvenční techniku (FBH). Celková integrace laserového systému proběhla na Humboldtově univerzitě v Berlíně. Frekvence polovodičových laserů je stabilizována v modulu vyvinutém Hamburskou univerzitou na atomovém přechodu rubidia. Tyto rubidové atomy spolu s lasery tvoří „optický atomový hodiny“, které pracují na jiném fyzikálním principu než quartzové hodiny a „tikají“ asi deset milionkrát rychleji. Pro srovnání chodu obou hodin je použit optický frekvenční můstek vyvinutý firmou Menlo Systems.

Vědci pomocí těchto testů poprvé demonstrovali, že takové „optické atomové hodiny“ a laserové systémy pro ně ve vesmíru mohou být využity k testování gravitačního červeného posuvu a dalších přesných měření. S touto náročnou technologickou demonstrací položili také základy pro testování Einsteinova principu ekvivalence pomocí atomových interferometrů druhu draslíku a rubidia v rámci projektu MAIUS. MAIUS je součástí mise QUANTUS podporované DLR, jejímž cílem je vyvinout nové kvantově fyzikální technologie, které umožní ochlazovat, zachytávat a manipulovat s atomy. Dále se plánuje další miniaturizace laserových modulů a test plně automatizovaného kvantového senzoru ve vesmíru. Dlouhodobým cílem je ověření Einsteinova principu ekvivalence, podle kterého všechny tělesa padají v gravitačním potenciálu „stejnou rychlostí“.

Kompaktní a extrémně odolné diodové laserové moduly z FBH pro vesmír

Nekonečné množství experimentů ve volném pádu v centru pro aplikovanou kosmickou techniku a mikrogravitaci (ZARM) v Brémách připravilo sofistikovaný experiment ve vesmíru. Laserový modul byl realizován v rámci společné laboratoře laserové metrologie na Ferdinand-Braun-Institutu ve spolupráci s optickou metrologickou skupinou Humboldtovy univerzity v Berlíně. Tato společná laboratoř již delší dobu vyvíjí a zkoumá extrémně přesné a velmi kompaktní polovodičové laserové moduly pro použití ve vesmíru. Jejich jádrem je DFB (distributed feedback) laser, který vydává světlo v velmi úzkém frekvenčním nebo vlnovém rozsahu. Tato spektrální úzkopásmovost je jednou z klíčových požadavků na laserový modul, který je potřebný pro spektroskopii rubidových atomů a tím i pro přesná měření. Pomocí unikátní hybridní mikrointegrační technologie je laserový čip spojen s elektronickými a optickými komponentami do velmi kompaktního, raketě odolného sestavení. Nakonec musí tyto modulky velikosti pouhého dlaně fungovat bez problémů i za extrémně drsných podmínek ve vesmíru. Při startu rakety jsou vystaveny silným mechanickým namáháním, při nichž působí zrychlení až osmkrát větší než gravitační zrychlení Země. „Naše integrační technologie umožňuje i zatížení až 30krát větší než gravitační zrychlení,“ říká Dr. Andreas Wicht, vedoucí skupiny laserové metrologie na FBH, a je dobře připraven na budoucí požadavky. „Pracujeme také na spektrálně ještě úzkopásmovějších lasech s hybridně integrovaným optickým zesilovačem, které jsou vhodné pro ještě složitější experimenty.“ Tím FBH současně rozšiřuje své know-how v oblasti optických a spektroskopických přesných měření, jež patří mezi nejpřesnější a nejkvalitnější metody dnešní doby a otevírají další možnosti využití.