Einstein verificare – Esperimenti di precisione con laser nello spazio

Modulo spaziale ad alte prestazioni: Laser a diodo a cavità estesa micro-integrato (ECDL) per la spettroscopia sugli atomi di rubidio nello spazio. Sono stati condotti test a bordo del razzo di ricerca in quota FOKUS il 23.4.2015. L'obiettivo è dimostrare se diversi tipi di orologi nello spazio funzionano effettivamente allo stesso modo, come affermato da Einstein. (© FBH/P.Immerz)

Secondo Albert Einstein, gli orologi vanno sempre più lentamente quanto più si trovano nel potenziale gravitazionale di una massa — cioè, più sono vicini, ad esempio, a un corpo celeste. Questo effetto viene chiamato spostamento verso il rosso gravitazionale nell'ambito della Teoria della Relatività Generale — si manifesta nelle linee spettrali che si spostano verso l'estremità rossa dello spettro. La Teoria della Relatività Generale prevede anche che il ritmo di tutti gli orologi sia influenzato allo stesso modo dalla gravità, indipendentemente da come questi orologi siano realizzati fisicamente o tecnicamente. Tuttavia, teorie più recenti sulla gravità suggeriscono che il tipo di orologio possa effettivamente influenzare l'intensità dello spostamento verso il rosso gravitazionale.

Per testare ciò, nel progetto FOKUS finanziato dal Centro Tedesco per l'Aeronautica e lo Spazio (DLR), sono stati oggi inviati nello spazio vari tipi di orologi con un razzo di ricerca altimetrica e sono stati riportati indietro. Lì si trovano condizioni di prova ottimali, poiché il potenziale gravitazionale varia in modo particolarmente forte. Si può così verificare se il ritmo degli orologi differisce effettivamente — e infine anche se una delle teorie più recenti sulla gravità fornisce una descrizione più accurata di Einstein. I primi esperimenti nello spazio sono stati ora condotti con successo: un team di scienziati ha lanciato nello spazio un oscillatore al quarzo altamente stabile, che "ticchetta" come un orologio moderno da polso nel campo delle radiofrequenze, e un sistema laser completo per il confronto. Il cuore del sistema laser è un modulo laser a semiconduttore microintegrato, sviluppato, costruito e testato presso l'Istituto Ferdinand-Braun di Berlino, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). L'integrazione complessiva del sistema laser è stata realizzata presso l'Università Humboldt di Berlino. La frequenza dei laser a semiconduttore viene stabilizzata in un modulo sviluppato dall'Università di Amburgo su un transito atomico di rubidio. Questi atomi di rubidio, combinati con i laser, forniscono un "orologio atomico ottico" che funziona secondo un principio diverso rispetto all'orologio al quarzo e "ticchetta" circa dieci milioni di volte più velocemente di quest'ultimo. Per il confronto del ritmo dei due orologi viene utilizzato un campionatore di frequenza ottico sviluppato dalla società di gestione del progetto Menlo Systems.

Gli scienziati hanno dimostrato per la prima volta con questi test che tali "orologi atomici ottici" e i sistemi laser necessari possono essere impiegati nello spazio per testare lo spostamento verso il rosso gravitazionale e altre misurazioni di precisione. Con questa dimostrazione tecnologica avanzata, hanno anche posto le basi tecnologiche per testare il principio di equivalenza di Einstein con interferometri atomici di potassio e rubidio nell'ambito del progetto MAIUS. MAIUS fa parte della missione QUANTUS finanziata dal DLR, che mira a sviluppare nuove tecnologie di fisica quantistica per raffreddare, catturare e manipolare atomi. Si intende anche portare avanti la miniaturizzazione dei moduli laser e testare un sensore quantistico completamente automatizzato nello spazio. L'obiettivo a lungo termine è verificare il principio di equivalenza di Einstein, secondo cui tutti i corpi cadono "alla stessa velocità" in un potenziale gravitazionale.

Moduli laser a diodo compatti e estremamente robusti del FBH per lo spazio

Innumerevoli esperimenti con caduta libera presso il Centro per la Tecnologia Aerospaziale Applicata e Microgravità (ZARM) a Brema hanno preparato l'esperimento sofisticato nello spazio. Il modulo laser è stato realizzato presso l'Istituto Ferdinand-Braun nell'ambito del Joint Lab Laser Metrology con il gruppo di metrologia ottica dell'HU di Berlino. Da tempo, il Joint Lab studia e sviluppa moduli laser a semiconduttore ultraprécisi e estremamente compatti per l'uso nello spazio. Il loro elemento centrale è un laser DFB (distributed feedback), che emette luce in una gamma di frequenza o lunghezza d'onda molto stretta. Questa narrowband spettrale è una delle principali esigenze del modulo laser, necessario per la spettroscopia degli atomi di rubidio e quindi per misurazioni di precisione. Grazie a una tecnologia di microintegrazione ibrida unica al mondo, il chip laser a diodo viene integrato con componenti elettronici e ottici in una configurazione estremamente compatta e adatta alle missioni spaziali. Alla fine, i moduli, di dimensioni appena superiori a un palmo di mano, devono funzionare senza problemi anche nelle condizioni estreme dello spazio. Durante il lancio, sono sottoposti a forti sollecitazioni meccaniche, con accelerazioni fino a otto volte l'accelerazione terrestre. "La nostra tecnologia di integrazione permette anche sollecitazioni fino a 30 volte l'accelerazione terrestre", afferma il dottor Andreas Wicht, responsabile del gruppo di metrologia laser del FBH, che si sente ben preparato per le future esigenze. "Stiamo inoltre lavorando a laser ancora più stretti in banda spettrale, con amplificatori ottici integrati in modo ibrido, ideali per esperimenti ancora più complessi". Con questo, il FBH amplia anche le proprie competenze nel campo delle misurazioni di precisione ottiche e spettroscopiche, tra le più accurate e precise al giorno d'oggi, aprendo nuove possibilità di applicazione.