Einstein na stanowisku testowym – dwa precyzyjne eksperymenty z laserami z Berlina w przestrzeni kosmicznej

Moduł Rb do eksperymentu FOKUS: Faserowo sprzężony moduł Rb do eksperymentu FOKUS w przestrzeni kosmicznej. ©FBH/P. Immerz

Zgodnie z teorią względności Alberta Einsteina, w próżni wszystkie ciała, niezależnie od ich innych właściwości, są równie szybko przyspieszane przez siłę grawitacji Ziemi. Ta zasada równoważności obowiązuje dla kamieni, piór i atomów w równym stopniu. W warunkach nieważkości można szczególnie długo i precyzyjnie mierzyć, czy różnie ciężkie atomy rzeczywiście "spadają tak samo szybko".

Do pierwszych precyzyjnych pomiarów w przestrzeni kosmicznej z zimnymi atomami odpowiednimi kandydatami są potas i rubid. W ramach przygotowań do tych pomiarów 23 stycznia w Kirunie w Szwecji przeprowadzono jednocześnie dwa eksperymenty udanie na rakiecie badawczej na dużej wysokości. Teraz dokonano pierwszej oceny wyników. Uniwersytet Humboldta w Berlinie (HU) oraz Instytut Ferdinanda Brauna, Leibniz-Institut für Hochfrequenztechnik (FBH), testują w projektach KALEXUS i FOKUS najnowocześniejsze technologie laserowe. Zaawansowane demonstratory technologii stanowią podstawę do precyzyjnych testów zasady równoważności za pomocą tak zwanych interferometrów atomowych potasu i rubidu oraz innych eksperymentów związanych z teorią względności Einsteina. Naukowcy liczą na wyniki tych eksperymentów, które mogą dostarczyć wskazówek, jak poradzić sobie z jednym z największych wyzwań nowoczesnej fizyki: zjednoczeniem grawitacji z pozostałymi trzema podstawowymi siłami w jednolitą teorię.

Eksperymenty laserowe z atomami potasu i rubidu: KALEXUS i FOKUS

W projekcie KALEXUS, prowadzonym przez grupę Metrologii Opticznej na HU, zbudowano stabilny system laserowy do manipulacji atomami potasu. Kluczowymi elementami są dwa mikrointegrowane moduły laserowe opracowane przez FBH. W KALEXUS długość fali tych modułów jest ustawiona na przejście atomowe potasu. Podczas sześciominutowego okresu nieważkości eksperyment samodzielnie stabilizuje długość fali obu laserów. Ponadto system laserowy może podczas lotu samodzielnie przełączać się między źródłami laserowymi. Ostatecznie takie eksperymenty nie mogą być łatwo powtarzane, a naukowcy nie mogą podczas lotu wprowadzać korekt. Dodatkowo pomiary nie mogą być zagrożone w przypadku awarii jednego z laserów.

W ramach projektu FOKUS, kierowanego przez Menlo Systems, zbudowano w HU kolejne moduły laserowe FBH. Laser stabilizowany na przejściu atomowym rubidu ma demonstrować gotowość technologii do przyszłych testów atomowych w warunkach nieważkości. System laserowy umożliwia także porównanie zegarów. Porównuje się częstotliwość tego "oscylatora optycznego" z częstotliwością kwarcowego oscylatora, który "tyka" w zakresie radiowym, jak nowoczesny zegarek na rękę. Teoria względności przewiduje, że wszystkie zegary są w równym stopniu pod wpływem grawitacji, niezależnie od tego, jak są fizycznie lub technicznie zrealizowane. Pierwszy test w kwietniu 2015 roku potwierdził przydatność takich "atomowych zegarów" i systemów laserowych do sprawdzania teorii względności Einsteina w przestrzeni kosmicznej. Celem jest teraz potwierdzenie tych wyników po wprowadzeniu kilku optymalizacji technicznych systemu.

Porównanie dwóch podejść technologicznych

Oba eksperymenty wykorzystują różne typy laserów z FBH, co pozwala na porównanie ich technologii laserowych w kontekście zastosowania. Kluczowym elementem modułu FOKUS jest laser DFB (Distributed Feedback), który emituje światło w wąskim zakresie częstotliwości lub długości fali przy 780 nm. Ta wąska spektralna szerokość jest jednym z głównych wymagań dla modułu laserowego, potrzebnego do spektroskopii atomów rubidu i precyzyjnych pomiarów.

KALEXUS korzysta z układu ECDL (Extended Cavity Diode Laser, laser diodowy z wydłużonym układem rezonansowym), który dzięki zewnętrznemu siatkowemu elementowi zapewnia jeszcze węższą szerokość linii. Laser jest zoptymalizowany do spektroskopii atomów potasu i emituje przy długości fali 767 nm. Zewnętrzna siatka czyni go jednak - w przeciwieństwie do monolitycznej konstrukcji lasera FOKUS - potencjalnie bardziej podatnym na zakłócenia. Ostatecznie moduły te, wielkości ręki, muszą wytrzymać mechaniczne obciążenia podczas startu rakiety z przyspieszeniem do 15 razy większym od przyspieszenia ziemskiego i potem bezproblemowo działać w przestrzeni kosmicznej.

Projekty KALEXUS i FOKUS są finansowane przez Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR).

O Joint Lab Laser Metrology

W ramach tego wspólnego laboratorium rozwijane są bardzo wąskopasmowe diodowe lasery, między innymi do optycznej precyzyjnej spektroskopii w przestrzeni kosmicznej. W tym zakresie ściśle współpracują Instytut Ferdinanda Brauna oraz grupa Metrologii Opticznej na Wydziale Matematyczno-Naukowym Uniwersytetu Humboldta w Berlinie. Dzięki temu mogą one skutecznie łączyć wspólne zainteresowania i uzupełniające się kompetencje HU Berlin (pomiar optyczny w celach fundamentalnych pytań fizycznych) oraz FBH (rozwój laserów półprzewodnikowych).