|
Лазеры можно разметить в лунных кратерах
|
|
|
|
Они входят в число самых темных и холодных мест в Солнечной системе: сотни лунных кратеров, многие из которых находятся на южном полюсе Луны, никогда не получают прямого солнечного света и находятся в постоянной тени. Именно поэтому физик Джун Е и его коллеги предполагают, что эти кратеры являются идеальным местом для создания важнейшего компонента сверхстабильного лазера.
|
|
|
|
На Луне высокостабильный лазер — источник когерентного света с почти неизменной частотой или цветом — мог бы обеспечить основной сигнал времени и предложить навигацию по Луне, подобную GPS, — сказал Е, сотрудник Национального института стандартов и технологий (NIST) и JILA, совместного института NIST и Университета Колорадо в Боулдере. Множество таких лунных лазеров могли бы точно измерять расстояния между объектами и потенциально обнаруживать экзотические физические явления, такие как рябь в пространстве-времени.
|
|
|
|
Для создания лунного лазера астронавты сначала должны установить ключевой компонент, известный как оптический кремниевый резонатор — блок из кремния, который позволяет только определённым частотам света отражаться между зеркалами на каждом конце блока. Расстояние между двумя зеркалами определяет частоты, которые могут резонировать; для высокостабильного оптического резонатора это расстояние, а следовательно, и эти частоты, не меняются.
|
|
|
|
Луна — идеальное место для создания оптического резонатора, поскольку она подвержена относительно небольшим колебаниям по сравнению с Землёй и имеет высокий вакуум (так как в её окружении отсутствует воздух).
|
|
|
|
|
|
|
Но постоянно затенённые кратеры на южном полюсе Луны обеспечивают ещё большее преимущество. Их низкая температура, около 50 градусов выше абсолютного нуля (50 кельвинов), значительно уменьшает случайные колебания зеркальных поверхностей.
|
|
|
|
Кроме того, в этих кратерах вакуум ещё выше, чем на лунной поверхности, что ещё больше уменьшает или исключает колебания от звуковых волн и случайных частиц, которые могли бы ударять по зеркалам и изменять расстояние между ними.
|
|
|
|
Излучая остаточное тепло от системы резонаторов в гораздо более холодную бездну космоса, оптический резонатор можно дополнительно охладить без необходимости использования криостата или другого оборудования до температуры 16 К. При этой температуре кремний не расширяется и не сжимается при воздействии мельчайших изменений температуры, гарантируя, что свет, попадающий в резонатор, всегда проходит точно одинаковое расстояние между двумя зеркалами.
|
|
|
|
После развертывания оптического кремниевого резонатора, рядом будет размещен имеющийся в продаже лазер — либо на краю, либо внутри постоянно затененного кратера. Небольшое количество лазерного света, направленного в оптический резонатор, будет использоваться для фиксации частоты лазера на одной из резонансных частот, допустимых резонатором, гарантируя, что лазер излучает свет одного неизменного цвета.
|
|
|
|
После стабилизации частоты своего света лазер сможет действовать как сигнал, подобный GPS, направляя лунные космические аппараты для безопасной посадки, особенно те, которые должны приземлиться в слабо освещенных районах вблизи южного полюса. Настроив свой свет на сигналы атомных часов на спутниках, высокостабильный лунный лазер мог бы также стать основой первых оптических атомных часов на внеземной поверхности. Этот сигнал синхронизации времени мог бы конкурировать с сигналами самых точных и прецизионных оптических атомных часов на Земле, которые Йе и его коллеги создали в наземных лабораториях.
|
|
|
|
Йе и его коллеги, включая исследователей из JILA; Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния; Федерального физико-технического института (PTB) в Германии; и компании Lunetronic Inc. в Сан-Франциско, описывают свое предложение в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
|
|
|
|
Хотя идея создания лазера внутри лунного кратера может показаться несбыточной мечтой, НАСА уже определило регионы вблизи постоянно затененных кратеров Южного полюса в качестве мест посадки для миссии Artemis.
|
|
|
|
Йе, эксперт по лазерам и точным измерениям, придумал идею лунного лазера после обсуждения с коллегами типов приборов, которые миссия Artemis могла бы нести и устанавливать на лунной поверхности. Некоторые идеи казались непрактичными или предполагали использование технологий, еще не полностью разработанных на Земле.
|
|
|
|
«Я подумал: „Давай я выдвину еще одну безумную идею“ — но оказалось, что она не такая уж и безумная», — отметил Йе. После многолетней работы с кремниевыми резонансными резонаторами Йе и его коллеги из JILA и Немецкого национального метрологического института «точно знают, какие ключевые компоненты необходимы для создания кремниевого резонатора», — добавил он. «Как только я понял, что могут предложить постоянно затененные области, я почувствовал, что это будет самая идеальная среда для сверхстабильного лазера».
|
|
|
|
Если бы астронавты установили сеть таких лунных лазеров, сказал Йе, эти приборы могли бы измерять расстояния между объектами на Луне с чрезвычайно высокой точностью. Такая точность позволила бы лунным лазерам действовать в качестве детектора гравитационных волн — ряби в пространстве-времени, которая сотрясала бы Луну и незначительно изменяла расстояние между лунными объектами при их прохождении.
|
|
|
|
Кремниевый оптический резонатор, достаточно маленький, чтобы поместиться внутри космического корабля «Артемида», был бы полностью собран на Земле, сказал соавтор исследования Вэй Чжан из Лаборатории реактивного движения НАСА. Во время развертывания на Луне радиационные панели устройства должны были бы развернуться. По словам Чжана, астронавты будут использовать дистанционно или механически управляемый луноход для опускания полости в кратер.
|
|
|
|
Соавтор исследования Ици Ни из компании Lunetronic отметил, что из-за плохого освещения посадка на полярные регионы Луны будет сложной задачей. Однако постоянно затененные области на Луне остаются ключевыми для долгосрочного исследования Луны, поскольку они содержат водяной лед и другие ресурсы, необходимые для поддержания присутствия человека.
|
|
|
|
Ни предполагает, что кремниевая оптическая полость может быть продемонстрирована на низкой околоземной орбите в течение двух лет, развернута на лунной поверхности в течение трех-пяти лет и в конечном итоге установлена внутри темного кратера благодаря скоординированным усилиям различных ведомств.
|
|
|
|
Источник
|
