Einstein ellenőrzése – Pontossági kísérletek lézerekkel az űrben

Magas teljesítményű űrmodul: Mikrointegrált Extended Cavity Diode Laser (ECDL) az rubídium-atomok spektroszkópiájához az űrben. Ezzel végeztek teszteket az FOKUS magasságkutató rakéta fedélzetén 2015. április 23-án. A cél annak megmutatása, hogy különböző óratípusok valóban ugyanúgy járnak-e az űrben, ahogyan Einstein állította. (© FBH/P. Immerz)

Albert Einstein szerint az órák annál lassabban járnak, minél mélyebben helyezkednek el egy tömeg gravitációs potenciáljában – vagyis minél közelebb vannak például egy égitesthez. Ezt a hatást az általános relativitáselmélet gravitációs vöröseltolódásnak nevezi – ez a spektrális vonalak eltolódásában mutatkozik meg a spektrum vörös felé haladva. Az általános relativitáselmélet azt is előre jelzi, hogy minden óra járása ugyanúgy lesz befolyásolva a gravitáció által, függetlenül attól, hogy ezeket az órákat fizikai vagy technikai szempontból hogyan valósítják meg. Azonban újabb gravitációs elméletek feltételezik, hogy az óra típusa valóban befolyásolja a gravitációs vöröseltolódás mértékét.

Ennek tesztelése érdekében a Német Repülési és Űrkutatási Központ (DLR) által finanszírozott FOKUS projekt keretében ma különböző óratípusokat küldtek a világűrbe egy magasságkutató rakétával, majd vissza. Ott kiváló tesztkörülmények vannak, mivel a gravitációs potenciál különösen erősen változik. Így meg lehet vizsgálni, hogy valóban különböznek-e az órák járása – és végső soron az is kiderül, hogy valamelyik újabb gravitációs elmélet pontosabb leírást ad-e, mint Einstein. A világűrben végzett első kísérletek sikeresen megtörténtek: egy tudóscsoport egy rendkívül stabil kvarc oszcillátort, amely egy modern karórához hasonlóan rádiófrekvenciás tartományban „ketyeg”, valamint egy teljes lézeres rendszert küldött a világűrbe összehasonlítás céljából. A lézeres rendszer szívét egy mikrointegrált félvezető lézermodul alkotja, amelyet a Berlini Ferdinand-Braun Intézetben, a Leibniz Intézet a Magas Frekvenciákért (FBH) fejlesztettek, építettek és teszteltek. A Humboldt-Universität zu Berlinben történt a teljes integráció. A félvezető lézerek frekvenciáját egy, a Hamburgi Egyetem által kifejlesztett modul stabilizálja egy rubidium atom atomátmenetén. Ezek a rubidium atomok együttesen egy „optikai atomórát” alkotnak, amely fizikai értelemben egy másik elven működik, mint a kvarcóra, és mintegy tízmilliószor gyorsabban „ketyeg”, mint az. A két óra járásának összehasonlításához egy, a projektvezető cég, a Menlo Systems által kifejlesztett optikai frekvenciakampót alkalmaznak.

A tudósok ezzel a tesztekkel elsőként mutatták be, hogy az ilyen „optikai atomórák” és az ehhez szükséges lézeres rendszerek a világűrben alkalmazhatók gravitációs vöröseltolódás és más precíziós mérések vizsgálatára. A magas szintű technológiai demonstrációval megalapozták az Einstein-féle egyenértékűségi elv tesztelését kalcium- és rubidium-atom interferométerekkel az MAIUS projekt keretében. A MAIUS a DLR által támogatott QUANTUS küldetés része, amelyben új kvantumfizikai technológiákat fejlesztenek ki, amelyekkel az atomokat hűteni, befogni és manipulálni lehet. Továbbá a lézermodulok további miniaturizálásán dolgoznak, és egy teljesen automata kvantumszenzort tesztelnek az űrben. Hosszú távú céljuk Einstein-féle egyenértékűségi elv vizsgálata, amely szerint minden test ugyanúgy esik egy gravitációs potenciálban.

Kompakt és rendkívül robusztus Diódalézermodulok az FBH-tól az űr számára

Számtalan eséskísérlet a Bremenben található Alkalmazott Űrkutatási és Mikrogravitációs Központban (ZARM) készítette elő a kifinomult kísérletet a világűrben. A lézermodult a Ferdinand-Braun Intézetben, a Laser Metrológia Közös Laboratórium keretében valósították meg az HU Berlin optikai metrológiai csoportjával. A Közös Laboratórium régóta kutat és fejleszt ultranagypontos és rendkívül kompakt félvezető lézermodulokat az űrbeli alkalmazásra. Ezek központi eleme egy DFB (elosztott visszacsatolású) lézer, amely nagyon szűk frekvencia- vagy hullámhossz-tartományban bocsát ki fényt. Ez a spektrális szűk sávszélesség az egyik legfontosabb követelmény a lézermodul számára, amely a rubidium atomok spektroszkópiájához és így a precíziós mérésekhez szükséges. Egy világszerte egyedülálló, hibrid mikrointegrációs technológia segítségével a diódalézercsippet elektronikus és optikai komponensekkel egy rendkívül kompakt, rakétakész felépítésbe integrálják. Végül is a csak tenyérnyi méretű moduloknak megbízhatóan kell működniük a világűr extrém körülményei között is. A rakétindítás során erős mechanikai terheléseknek vannak kitéve, amelyek során akár a Föld gravitációs gyorsulás nyolcszorosát is elérő gyorsulások léphetnek fel. „Integrációs technológiánk lehetővé teszi akár a 30-szoros gravitációs gyorsulásnak való ellenállást is” – mondja Dr. Andreas Wicht, aki a FBH lézermetrológiai csoportját vezeti, és szerintük ez a jövőbeni igényekre is jó felkészültséget jelent. „Emellett olyan spektrálisan még szűkebb sávszélességű lézereken is dolgozunk, amelyek hibrid integrációval ellátott optikai erősítővel rendelkeznek, és kiválóan alkalmasak még összetettebb kísérletekhez is.” Ezzel a FBH bővíti optikai és spektroszkópiai precíziós mérési ismereteit, amelyek a korszak legpontosabb és legprecízebb mérési módszerei közé tartoznak, és további alkalmazásokat nyitnak meg.