NASA、宇宙時間計測の新技術の開発へ

※宇宙船に搭載できるほど小型の高精度原子時計である光原子ストロンチウムイオン時計。

地球上では、腕時計が数秒遅れても問題ないかもしれないが、宇宙船の重要な機能には、10億分の1秒以下の精度が求められる。たとえば、GPSを使ったナビゲーションでは、衛星からの正確なタイミング信号を利用して位置を正確に特定する。

メリーランド州グリーンベルトにあるNASAゴダード宇宙飛行センターの3つのチームは、宇宙探査の計時精度を新たなレベルに引き上げるべく取り組んでいる。

• 宇宙船の重要な通信とナビゲーションを支援するために、非常に高精度の量子クロック同期技術を開発している。
• 宇宙ベースのプラットフォームで時計同期技術を採用し、望遠鏡を1つの巨大な観測所として機能させることに取り組んでいる。
• 現在の技術では不可能な科学的観測を可能にするために、金属化学元素であるストロンチウムをベースにした宇宙船用の原子時計を開発している。

太陽系全体で同期

NASAゴダード宇宙飛行センターの研究員アレハンドロ・ロドリゲス・ペレス氏は、次のようにコメントする。

2つの時計を並べて同期させると、永遠に同じ速度で進むと思われるが実際には、時間が経つほど時計の同期はずれていく。

特に、時速何万マイルで移動する宇宙船に搭載されている時計の場合はそうだ。ロドリゲス・ペレス氏は、量子技術を使用して、そのような時計を正確に同期させ、同期を維持する新しい方法の開発を目指している。

量子物理学では、2つの粒子が1つの物体のように動作し、同時に2つの状態を占める場合、その粒子はエンタングルメント状態にある。

時計の場合、エンタングルメント状態にある光子に量子プロトコルを適用することで、遠く離れた場所にある時計を正確かつ安全に同期できるようになるという。

同期プロトコルの核心は、自発的パラメトリック ダウンコンバージョンと呼ばれるもので、1つの光子が分解して2つの新しい光子が形成されることだ。

2つの検出器はそれぞれ新しい光子が出現するタイミングを分析し、デバイスは数学関数を適用して2つの光子間の時間的なオフセットを決定し、クロックを同期する。

現在、時計の同期はGPSを使用して行われていますが、このプロトコルにより、月や深宇宙など、 GPSアクセスが制限されている場所でも時計を正確に同期できるようなるという。

時計を同期し、望遠鏡をリンクしてこれまで以上に多くのものを見る

天文学に関して言えば、望遠鏡が大きければ大きいほど、その画像の品質は高くなるというのが一般的な経験則だ。

NASAゴダード宇宙飛行センターの光学物理学者であるグアン・ヤン氏は、次のようにコメントする。

小型望遠鏡のネットワークの観測結果を結合して大型望遠鏡のパワーに影響を与えるというアイデアは、超長基線干渉法、つまりVLBIと呼ばれている。

VLBIが部分の総和よりも大きな成果を生み出すには、望遠鏡に高精度の時計が必要だ。望遠鏡は、データが記録された時刻のタイムスタンプとともにデータを記録する。

高性能のコンピューターがすべてのデータを1つの完全な観測データにまとめ、望遠鏡1台だけでは実現できないほど詳細なデータを生成する。

この技術により、イベント・ホライズン・テレスコープの観測所ネットワークは、銀河の中心にあるブラックホールの最初の画像を生成することができた。

ヤン氏のチームは、地球から宇宙へ技術を持ち込み、さらに多くの発見につながる可能性のあるミッションに役立つ可能性のある時計技術を開発している。

宇宙旅行用に作られた光原子時計

宇宙船のナビゲーション システムは現在、搭載されている原子時計を利用して、可能な限り正確な時間を取得している。NASAゴダード宇宙飛行センターの物理学者ホリー・レオパルディ氏は、より正確なタイプの原子時計である光原子時計を研究している。

光原子時計は研究室レベルでは存在するが、レオパルディ氏と彼女のチームは、より精度の高い宇宙船搭載可能なバージョンの開発を目指しているという。

チームはOASIC（Optical Atomic Strontium Ion Clock）の開発に取り組んでいる。現在の宇宙船はマイクロ波周波数を利用しているが、OASICは光周波数を利用する。

OASIC技術は、これまでの最先端の宇宙船用原子時計よりも約100倍も精度が高い。精度の向上により、これまでは不可能だった新しいタイプの科学が可能になる可能性があるという。

これらのチームによって解明された計時技術は、太陽系内外での新たな発見を可能にする可能性があるとしている。

▶︎NASA