Jak jsme si řekli už v článku vydaném předevčírem, v rámci nákladní mise CRS-32 doveze nákladní kosmická loď Dragon 2 na Mezinárodní kosmickou stanici také evropský experiment ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). Dnes se proto na tohle zajímavé zařízení, které bude usazeno na vnějším plášti evropského modulu Columbus, podíváme podrobněji. Vytvořením „sítě hodin“ má ACES propojit své vlastní nástroje pro vysoce přesné měření času s nejpřesnějšími hodinami na Zemi, aby bylo možné jejich údaje porovnávat za účelem měření plynutí času.

Podle Einsteinovy obecné relativity, gravitace ovlivňuje plynutí času. Experimenty provedené na Zemi ukázaly, že ve větších výškách (třeba na vrcholcích hor) plyne čas rychleji než na hladině moře. ACES posune tento experiment doslova do nových výšin. Extrémně přesné měření času totiž bude probíhat i na Mezinárodní kosmické stanici, která krouží 400 kilometrů nad Zemí. Data, která ACES nasbírá, poskytnou vědcům nové pohledy na vztahy mezi gravitací a časem, čímž posunou jejich chápání základních zákonů fyziky.

Abychom byli přesní, ACES tvoří hned dvojice špičkových hodin – PHARAO (Projet d’Horloge Atomique à Refroidissement d’Atomes en Orbite) a SHM (Space Hydrogen Maser). PHARAO jsou cesiové atomové hodiny vyvinuté Francouskou kosmickou agenturou CNES. Tyto hodiny využívají lasery k ochlazení atomů cesia na teploty blízké absolutní nule (okolo -273°C), čímž umožňují extrémně přesná měření času a frekvence. Na Zemi mívají cesiové atomové hodiny (též cesiová fontána) na výšku 2 – 3 metry, aby poskytly dostatek prostoru atomům cesia, které jsou vystřeleny vzhůru a interagují s mikrovlnným polem hodin, než dopadnou zpět vlivem gravitace. V podmínkách volného pádu na ISS mohou být cesiové atomy vypouštěny pomaleji a na kratší vzdálenost a přitom budou mít dostatek času k interakci. To umožnilo razantně snížit rozměry systému PHARAO při zachování vysoké stability.

SHM je aktivní vodíkový maser, tedy zařízení, které využívá k určování času atomy vodíku. SHM vznikl ve Švýcarsku, ve firmě Safran Time Technologies. V těchto hodinách se používá vodík jako atomová frekvenční reference a jejich provoz připomíná pasivní masery, které najdeme na družicích Galileo. Rozdíl je v tom, že SHM je desetkrát stabilnější.

ACES určí čas kombinací excelentní stability SHM po dobu jedné hodiny s dlouhodobou stabilitou a přesností PHARAO. Společně tyto hodiny poskytnou měření času s přesností zhruba jedné odchýlené sekundy za 300 milionů let! Po dosažení Mezinárodní kosmické stanice se přístroje ACES ujme robotická paže a usadí jej na modul Columbus, kde bude 30 měsíců sbírat svá data. ACES by měl zaznamenávat data z nejméně deseti období, z nichž každé potrvá 25 dní. Experiment bude řízen z Evropy prostřednictvím centra CADMOS v Toulouse a řídícího střediska modulu Columbus, které se nachází nedaleko německého Mnichova.

Signál s měřením času od ACES bude přenesen k síti pozemských hodin dvojicí časových a frekvenčních spojení – mikrovlnnou linkou (MWL), která pracuje na mikrovlnných frekvencích a optickým spojením ELT (European Laser Timing). Pozemní terminály MWL v kontinentální Evropě, Velké Británii, USA a Japonsku budou komunikovat s ACES a vyměňovat si časové informace s kompenzací vlivu atmosféry a náročných podmínek ve vesmíru.

Pozemní laserové stanice pro měření vzdáleností družic (například observatoř v bavorském Wettzellu) spojené se sítí atomových hodin se budou také podílet na experimentu ACES prostřednictvím ELT. Jejich antény budou směrem k ISS pálit laserové pulsy a přijímat jejich vracející se „ozvěny“, které budou po časovém označení v ACES a pozemním čase použity k měření desynchronizace mezi vesmírem a Zemí. Věda, kterou ACES umožní, je skutečně mezioborová. Porovnáním hodin v kosmickém prostoru a na Zemi ACES poskytne vědcům přesná měření k otestování Einsteinových účinků gravitační dilatace času, dále pátrání po časových variacích fundamentálních fyzikálních konstant, ale i pátrání po temné hmotě.

Globální síť pozemských hodin propojených přes ACES také vědcům umožní měřit geopotenciálové rozdíly napříč kontinenty, provádět experimenty se synchronizací hodin, či globálně distribuovat časové škály. Optické hodiny dosáhly zlomkové frekvenční stability a přesnosti jedna ku 10¹⁸, čímž překonaly o dva řády mikrovlnné hodiny. ACES propojí nejlepší optické hodiny napříč kontinenty a porovná je s přesností jedna ku 10¹⁷, což je úroveň přesnosti, jaké současné družicové systémy nemohou dosáhnout. „Jsme nadšeni možnostmi, které síť hodin vytvořená ACES přinese pro základní fyzikální výzkum, geodetické aplikace a globální měření času,“ zmiňuje Luigi Cacciapuoti, vědec z ESA zapojené do projektu ACES a dodává: „ACES dnes reaguje na naléhavou potřebu vědecké komunity a jistě bude hrát klíčovou roli při prosazování nové definice standardní jednotky času – tzv. sekundy SI – ve smyslu optického frekvenčního standardu.“

Celý ambiciózní projekt začal před více než třiceti lety, což svědčí o velmi složité povaze technologie pro ACES. Design PHARAO, který má nyní rozměry menší ledničky, je založen na atomových hodinách, které zaplňují celou místnost na Pařížské hvězdárně. V těchto letech byl systém ACES objevitelskou výpravou, protože inženýři tvrdě pracovali na vytvoření neuvěřitelně přesného měřicího systému. „ACES je vysoce citlivý systém tvořený složitými a vzájemně propojenými subsystémy, které musí harmonicky spolupracovat,“ vysvětluje Thomas Peignier, hlavní inženýr systému ACES a dodává: „Tým čelil celé řadě výzev a musel najít chytrá řešení. Kupříkladu, aby hodiny nebyly poškozeny vystavením magnetickému poli, jsme provedli magnetické průzkumy předtím, než jsme ACES kamkoliv přesunuli. Během zkoušek jsme používali speciální vybavení a všechny nástroje i elektrická zařízení a kovové díly včetně poslední matičky a šroubku byly měřeny a v případě potřeby demagnetizovány, než se mohly k ACES přiblížit. Jedná se o vysoce přesnou práci pro vysoce přesné zařízení.“

ACES byl kompletně sestaven ve firmě Airbus v německém Friedrichshafenu, kde v roce 2024 podstoupil zevrubné zkoušky. V březnu 2025 přístroj opustil Evropu a zamířil na Floridu, konkrétně na Kennedyho středisko, kde inženýři z ESA, Airbusu i NASA dokončili kriticky důležité přípravné činnosti v čisté místnosti na Space Station Processing Facility. Dokončený vědecký přístroj má odstartovat 21. dubna při zásobovací misi CRS-32.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://www.esa.int/…/images/2024/06/aces_atomic_clock_ensemble_in_space/26157381-1-eng-GB/ACES_Atomic_Clock_Ensemble_in_Space.jpg
https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2024/11/aces_pharao_clock/26415386-1-eng-GB/ACES_PHARAO_clock.jpg
https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2024/11/aces_shm_clock/26415837-1-eng-GB/ACES_SHM_clock.jpg
https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2024/11/aces_on_columbus/26415884-1-eng-GB/ACES_on_Columbus.jpg
https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2024/11/the_parts_of_aces/26415931-3-eng-GB/The_parts_of_ACES.png