NASA запустить квантовий сенсор для надточного вимірювання гравітації

Земне тяжіння. Ми відчуваємо його кожну мить, вона тримає нас на землі, формує океанські припливи та утримує атмосферу. Але чи думали ви, що ця невидима сила неоднорідна? Вона трохи змінюється від місця до місця, і ці крихітні варіації — справжнє джерело інформації про те, що приховано під нашими ногами. Ось тільки почути цей гравітаційний шепіт неймовірно складно. Донедавна.

Навіщо взагалі прислухатися до гравітації?

Уявіть собі: під землею рухаються величезні маси води у підземних річках (аквіферах), десь залягають щільні рудні тіла, а в інших місцях ховаються запаси нафти та газу. Все це маса. А де більше маси, там і гравітація трішки сильніша. Зміни відбуваються постійно: тануть льодовики, перерозподіляючи вагу, рухаються тектонічні плити.

Якби ми могли скласти надточну карту цих гравітаційних аномалій, це було б схоже на рентгенівський зір для планети! Ми краще розуміли б, де шукати прісну воду (критично важливий ресурс!), як змінюється ландшафт, де знаходяться корисні копалини. Такі карти потрібні і для точної навігації (так-так, навіть невеликі гравітаційні аномалії впливають на траєкторії супутників!), і для розуміння геологічних процесів, і, чого там, для питань безпеки. Проблема в тому, що ці гравітаційні «відтінки» дуже слабкі. Потрібні надзвичайно чутливі інструменти.

Класика жанру та квантовий стрибок

Вже є прилади — гравітаційні градієнтометри. Їхня робота заснована на простому, загалом принципі: вони порівнюють, як швидко падають два об’єкти (тестові маси), розташовані на невеликій відстані один від одного. Якщо під одним із них гравітація трохи сильніша, він падатиме крапельку швидше. Різниця у прискоренні та видає гравітаційну аномалію.

Звучить просто? На практиці це вимагає найвищої точності та стабільності, особливо в умовах космосу. І ось тут на сцену виходять квантові технології. Дослідники з JPL НАСА та їхні партнери вирішили підійти до завдання з іншого боку.

Чому атоми? Магія абсолютного нуля

Їхня ідея — використовувати як ті самі «падаючі об’єкти» не макроскопічні тіла, а… хмари атомів. Саме атомів рубідія, охолоджених до температур, близьких до абсолютного нуля (-273.15 °C). Навіщо так холодно? За таких екстремальних температур атоми перестають поводитися як крихітні кульки і починають проявляти хвильові властивості. Фізики називають це «матеріальними хвилями». Звучить трохи фантастично, правда?

І ось цей квантовий градієнтометр (названий поки що QGGPf — Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder, тобто «демонстратор») вимірюватиме різницю в прискоренні не між двома кульками, а між двома такими «атомними хвилями».

У чому ж фокус? Атоми одного елемента абсолютно ідентичні. Це не якісь там тестові грузики, які можуть трохи відрізнятися або міняти властивості з часом. чи температурних коливань, що з космосу — величезний плюс.

Менше, легше, чутливіше?

Є й інші приємні бонуси. Квантовий підхід дозволяє зробити прилад напрочуд компактним і легким. Прототип QGGPf займе об’єм всього близько чверті кубометра і важитиме близько 125 кг. Це значно менше та легше традиційних гравітаційних інструментів, що спрощує його запуск та інтеграцію на супутнику. Можливо, вийде обійтися одним апаратом там, де раніше була потрібна пара.

А головне – потенційна чутливість. За попередніми оцінками, «дорослий» науковий прилад, створений на основі цієї технології, зможе виміряти гравітаційні варіації до 10 разів точніше, ніж існуючі класичні датчики! Уявіть, які деталі ми можемо розглянути на гравітаційній карті Землі!

Не просто черговий супутник, а перший крок

Звичайно, поки що це лише початок шляху. Запуск QGGPf планується ближче до кінця цього десятиліття. Його основне завдання — не так наукові відкриття (хоча хто знає!), як перевірка самої технології в реальних умовах космосу. Потрібно зрозуміти, як усі ці хитромудрі системи управління атомами та лазерами поведуться на орбіті.

«Ніхто ще не намагався запустити подібний інструмент у космос», — чесно зізнається Бен Стрей, дослідник з JPL. Потрібно летіти, щоби вчитися, налагоджувати, удосконалювати. Цей політ має дати поштовх розвитку як гравітаційних вимірів, а й квантових технологій для космосу загалом.

Сила у співпраці

Це не сольний проект НАСА. Лабораторія реактивного руху працює у тісній зв’язці з приватними компаніями (AOSense, Infleqtion, Vector Atomic) та іншим центром НАСА (Центром космічних польотів імені Годдарда). У сучасній науці та технологіях такі складні завдання вирішуються лише спільно.

Заглядаючи за обрій

Джейсон Хайон, один з ідеологів проекту в JPL, дивиться ще далі. Він упевнений, що технології, відпрацьовані на QGGPf, стануть у нагоді не тільки для вивчення нашої планети. Вони можуть відкрити нові можливості в планетології — уявіть, як чудово було б так само детально «просвітити» гравітацією Марс або крижані супутники Юпітера! А може, навіть допоможуть у фундаментальних дослідженнях самої природи гравітації та устрою Всесвіту. Як він сказав, за допомогою атомів можна буде «визначити масу Гімалаїв». Вражає, чи не так?

Тож цей невеликий, але дуже розумний прилад, що готується до польоту, — це не просто черговий гаджет на орбіті. Це потенційний ключ до розуміння прихованих процесів на Землі і, можливо, далеко за її межами. Ми стоїмо на порозі ери, коли зможемо по-справжньому почути тихий, але інформативний шепіт гравітації. І хто знає, які таємниці він нам розповість?