Cette image démontre le contrôle que l'équipe Goddard-AOSense a sur les chemins des atomes. Dans cette démonstration, ils ont manipulé le chemin pour former l'acronyme, Nasa. Crédit :AOSense, Inc.
la NASA et le Sunnyvale, AOSense basé en Californie, Inc., ont construit et démontré avec succès un prototype de capteur quantique capable d'obtenir des mesures de gravité très sensibles et précises, un tremplin vers la géodésie de nouvelle génération, hydrologie, et les missions de surveillance du climat dans l'espace.
Le prototype de capteur, développé en collaboration avec le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, utilise une technique de mesure révolutionnaire appelée interférométrie atomique, que l'ancien secrétaire du département américain de l'Énergie Steven Chu et ses collègues ont inventé à la fin des années 1980. En 1997, Chu a reçu le prix Nobel de physique pour son travail.
Depuis la découverte, des chercheurs du monde entier ont tenté de construire des compact, capteurs quantiques plus sensibles, tels que les interféromètres atomiques, que les scientifiques pourraient utiliser dans les zones à espace restreint, y compris les engins spatiaux.
Grâce au financement du Small Business Innovation Research de la NASA, Incubateur d'instruments, et les programmes internes de recherche et développement de Goddard, l'équipe Goddard-AOSense a développé un gradiomètre gravimétrique à optique atomique principalement pour cartographier le champ gravitationnel de la Terre variant dans le temps. Bien que le champ gravitationnel de la Terre change pour diverses raisons, la cause la plus importante est une modification de la masse d'eau. Si un glacier ou une calotte glaciaire fond, cela affecterait la distribution de masse et donc le champ gravitationnel de la Terre
"Notre capteur est plus petit que les capteurs concurrents avec des objectifs de sensibilité similaires, " dit Babak Saïf, un physicien optique Goddard et collaborateur dans l'effort. "Les précédents instruments basés sur l'interféromètre atomique comprenaient des composants qui remplissaient littéralement une pièce. Notre capteur, en comparaison dramatique, est compact et efficace. Il pourrait être utilisé sur un vaisseau spatial pour obtenir un ensemble de données extraordinaires pour comprendre le cycle de l'eau de la Terre et sa réponse au changement climatique. En réalité, le capteur est un candidat pour les futures missions de la NASA dans diverses disciplines scientifiques."
L'interférométrie atomique fonctionne un peu comme l'interférométrie optique, une technique vieille de 200 ans utilisée dans la science et l'industrie pour mesurer les petits déplacements d'objets. L'interférométrie optique obtient des mesures en comparant la lumière qui a été divisée entre deux chemins différents. Lorsque les faisceaux de ces deux chemins se recombinent, ils créent un motif de franges d'interférence que les scientifiques inspectent pour obtenir des mesures très précises.
L'équipe Goddard-AOSense a construit ce gradiomètre gravimétrique terrestre de preuve de concept. Crédit :AOSense, Inc.
Interférométrie atomique, cependant, repose sur la mécanique quantique, la théorie qui décrit le comportement de la matière à des échelles submicroscopiques. Atomes, qui sont très sensibles aux signaux gravitationnels, peut également être cajolé en se comportant comme des ondes lumineuses. Des lasers pulsés spéciaux peuvent diviser et manipuler les ondes atomiques pour parcourir différents chemins. Les deux ondes atomiques interagiront avec la gravité d'une manière qui affectera le motif d'interférence produit une fois que les deux ondes se recombinent. Les scientifiques peuvent ensuite analyser ce modèle pour obtenir une mesure extraordinairement précise du champ gravitationnel.
En particulier, l'équipe envisage son capteur quantique comme une technologie potentielle pour recueillir le type de données actuellement produites par la mission de suivi de la Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) de la NASA. GRACE-FO est une mission à deux satellites qui a généré des cartes gravimétriques mensuelles montrant comment la masse est répartie et comment elle évolue dans le temps. Grâce à sa précision extraordinaire, le capteur quantique pourrait éliminer le besoin d'un système à deux satellites ou fournir une précision encore plus grande s'il était déployé sur un deuxième satellite sur une orbite complémentaire, dit Lee Feinberg, un expert en optique Goddard a également participé à l'effort.
"Avec cette nouvelle technologie, nous pouvons mesurer les changements de la gravité terrestre qui proviennent de la fonte des calottes glaciaires, sécheresses, et le drainage des approvisionnements en eau souterraine, améliorant grandement la mission pionnière de GRACE, " dit John Mather, un scientifique Goddard et lauréat du prix Nobel de physique en 2006 pour son travail sur l'explorateur de fond cosmique de la NASA qui a aidé à cimenter la théorie du big-bang de l'univers.
L'instrument, cependant, pourrait être utilisé pour répondre à d'autres questions scientifiques.
"Nous pouvons mesurer la structure intérieure des planètes, lunes, astéroïdes, et des comètes lorsque nous envoyons des sondes pour les visiter. La technologie est si puissante qu'elle peut même étendre les mesures primées des ondes gravitationnelles des trous noirs lointains, observer dans une nouvelle gamme de fréquences, " Mather a dit, se référant à la confirmation en 2015 des ondes gravitationnelles cosmiques - littéralement, ondulations dans le tissu de l'espace-temps qui rayonnent dans toutes les directions, un peu comme ce qui se passe lorsqu'une pierre est jetée dans un étang. Depuis cette confirmation initiale, le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory et les détecteurs européens Virgo ont détecté d'autres événements.
Depuis 2004, AOSense a développé des capteurs quantiques et des horloges atomiques, avec une vaste expertise et des capacités couvrant tous les aspects du développement et de la caractérisation de capteurs avancés pour une navigation et une synchronisation de précision.
