Einstein überprüfen – Experymenty precyzyjne z laserami w kosmosie

Moduł kosmiczny wysokiej wydajności: Mikro-zintegrowany rozszerzony laser diodowy z komorą rezonansową (ECDL) do spektroskopii atomów rubidu w przestrzeni kosmicznej. W dniu 23.4.2015 przeprowadzono testy na pokładzie rakiety badawczej FOKUS. Celem jest sprawdzenie, czy różne typy zegarów w przestrzeni kosmicznej rzeczywiście wskazują ten sam czas, jak twierdził Einstein. (© FBH/P.Immerz)

Zgodnie z Albertem Einsteinem, zegary chodzą coraz wolniej, im głębiej znajdują się w polu grawitacyjnym masy – czyli bliżej na przykład ciała niebieskiego. Ten efekt jest nazywany w ramach Ogólnej Teorii Relatywności jako Czerwone Przesunięcie Grawitacyjne – objawia się ono przesunięciem linii spektralnych w kierunku czerwonego końca spektrum. Ogólna Teoria Relatywności przewiduje również, że chód wszystkich zegarów jest w równym stopniu wpływany przez grawitację, niezależnie od tego, jak są one fizycznie lub technicznie zrealizowane. Nowsze teorie grawitacji sugerują jednak, że rodzaj zegara może mieć wpływ na siłę Czerwonego Przesunięcia Grawitacyjnego.

Aby to przetestować, w projekcie FOKUS finansowanym przez Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR) wysłano dzisiaj różne typy zegarów na pokładzie rakiety badawczej na wysokości w przestrzeń kosmiczną i z powrotem. Tam panują najlepsze warunki testowe, ponieważ potencjał grawitacyjny jest szczególnie silnie zróżnicowany. Można więc sprawdzić, czy chód zegarów faktycznie się różni – i ostatecznie, czy któraś z nowszych teorii grawitacji dostarcza dokładniejszego opisu niż Einstein. Pierwsze eksperymenty w przestrzeni kosmicznej zostały właśnie pomyślnie przeprowadzone: zespół naukowców wysłał na orbitę bardzo stabilny kwarcowy oscylator, który „tyka” w zakresie fal radiowych jak nowoczesny zegarek na nadgarstek, oraz kompletny system laserowy do porównania. Serce systemu laserowego stanowi mikrointegrowany moduł laserowy półprzewodnikowy, opracowany, zbudowany i przetestowany w berlińskim Instytucie Ferdinanda Brauna, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). Całkowita integracja systemu laserowego odbyła się na Uniwersytecie Humboldta w Berlinie. Częstotliwość laserów półprzewodnikowych jest stabilizowana w module opracowanym przez Uniwersytet Hamburg, na podstawie przejścia atomowego atomu rubidu. Te atomy rubidu, w połączeniu z laserami, tworzą „optyczny zegar atomowy”, który działa na innym zasadzie niż zegar kwarcowy i „tyka” około dziesięć milionów razy szybciej. Do porównania chodu obu zegarów używany jest optyczny zegar częstotliwościowy opracowany przez firmę Menlo Systems.

Naukowcy po raz pierwszy pokazali w ramach testów, że takie „optyczne zegary atomowe” i potrzebne do nich systemy laserowe mogą być wykorzystywane w przestrzeni kosmicznej do testowania Czerwonego Przesunięcia Grawitacyjnego i innych precyzyjnych pomiarów. Dzięki tej zaawansowanej demonstracji technologicznej położyli również podstawy technologiczne do testowania zasady równoważności Einsteina za pomocą interferometrów atomowych potasu i rubidu w ramach projektu MAIUS. MAIUS jest częścią misji QUANTUS finansowanej przez DLR, w ramach której mają zostać opracowane nowe technologie kwantowe, umożliwiające chłodzenie, schwytanie i manipulację atomami. Dalsza miniaturyzacja modułów laserowych oraz test w pełni zautomatyzowanego czujnika kwantowego w kosmosie również są planowane. Długoterminowym celem jest tutaj weryfikacja zasady równoważności Einsteina, według której wszystkie ciała w polu grawitacyjnym „opadają tak samo szybko”.

Kompleksowe i ekstremalnie wytrzymałe moduły laserowe diodowe z FBH do zastosowań w przestrzeni kosmicznej

Niezliczone eksperymenty w tunelu bezgrawitacyjnym w Centrum Technologii Kosmicznych i Mikro-grawitacji (ZARM) w Bremie przygotowały zaawansowany eksperyment w przestrzeni kosmicznej. Moduł laserowy został zrealizowany w Instytucie Ferdinanda Brauna w ramach wspólnego laboratorium Laser Metrology we współpracy z grupą Optycznej Metrologii na Uniwersytecie Humboldta w Berlinie. Od dłuższego czasu wspólne laboratorium bada i rozwija ultrawiarygodne i ekstremalnie kompaktowe moduły laserowe półprzewodnikowe do zastosowań w kosmosie. Ich rdzeniem jest laser DFB (distributed feedback), który emituję światło w bardzo wąskim zakresie częstotliwości lub długości fali. Ta spektralna wąskopasmowość jest jednym z kluczowych wymagań dla modułu laserowego, potrzebnego do spektroskopii atomów rubidu i tym samym do precyzyjnych pomiarów. Dzięki unikalnej na skalę światową technologii hybrydowej mikrointegracji, chip laserowy wraz z komponentami elektronicznymi i optycznymi jest integrowany w niezwykle kompaktową, rakietową konstrukcję. Ostatecznie moduły te, wielkości zaledwie dłoni, muszą bezproblemowo działać także w ekstremalnie trudnych warunkach w przestrzeni kosmicznej. Podczas startu rakiety są narażone na silne przeciążenia mechaniczne, sięgające nawet ośmiokrotności przyspieszenia ziemskiego. „Nasza technologia integracji umożliwia także wytrzymanie obciążeń do 30-krotności przyspieszenia ziemskiego” – mówi dr Andreas Wicht, kierujący grupą laserometrii w FBH, który jest dobrze przygotowany na przyszłe wymagania. „Pracujemy także nad jeszcze węższopasmowymi laserami z hybrydową integracją wzmacniacza optycznego, które doskonale nadają się do jeszcze bardziej złożonych eksperymentów”. W ten sposób FBH rozwija swoją wiedzę w zakresie optycznych i spektroskopowych precyzyjnych pomiarów, które należą do najdokładniejszych i najprecyzyjniejszych metod pomiarowych naszych czasów i otwierają kolejne możliwości zastosowań.