Research press release

物理学:次世代原子時計が宇宙空間で作動中

Nature

Physics: The next generation of atomic clocks in space

宇宙空間で運用されている初めてのイオントラップ型原子時計について報告する論文が、今週、Nature に掲載される。この原子時計は、現在の宇宙時計より優れた性能であることが実証された。この性能レベルであれば、この技術を用いて、深宇宙探査機のほぼリアルタイムでの航法が可能になることが示された。

現在、宇宙空間で使用されている原子時計は、原子を箱の中に閉じ込めて、その振動を計測することによって作動する。しかし、原子が箱の壁に衝突することで、原子時計の長期安定性が損なわれる。この悪影響を克服したのがイオントラップ型原子時計で、帯電した原子が電磁的に閉じ込められているため、原子が壁に衝突しなくなった。

2019年、NASAは「ディープ・スペース・アトミック・クロック(DSAC)」と名付けられたイオントラップ型原子時計を地球周回軌道に打ち上げた。今回、Eric Burtたちの研究チームは、この原子時計の稼働1年目のデータを提示している。この原子時計は、試験開始直後に故障したものの、その短期安定性と長期安定性は、現在の宇宙時計の最大10倍に達した。また、時計の性能が、輻射、温度、磁場の変動によって制約されることはないようで、宇宙の極限環境での作動に適した時計になっている。

現在のところ、DSACの寿命は3~5年だが、10年あるいはそれ以上に延ばすための研究が行われているとBurtたちは指摘している。この技術に関して現在進められている研究と開発によって、深宇宙探査のための一方向航法での応用に道が開かれる可能性がある。

The first trapped-ion atomic clock to be operated in space, reported in Nature, is shown to outperform current space clocks. The level of performance indicates that this technology could be used to enable near-real-time navigation of deep space probes.

The atomic clocks currently used in space rely on atoms confined in a box to serve as a meter for the clock. The long-term stability of these clocks is hampered by the atoms colliding with the walls of the box. This effect is overcome in trapped-ion atomic clocks in which charged atoms are confined electromagnetically, thereby eliminating wall collisions.

In 2019, NASA launched a trapped-ion clock, named the Deep Space Atomic Clock, into orbit around Earth. Eric Burt and colleagues present data from the first operating year of this clock. Despite developing a fault shortly after testing began, its short- and long-term stability still exceeds that of current space clocks by up to ten times. Variations in radiation, temperature and magnetic fields did not seem to limit the performance of the clock, making it suitable for operation in the extreme environment of space.

The Deep Space Atomic Clock currently has a life expectancy of 3–5 years, but work is being done to extend this to 10 years or beyond, the authors note. Ongoing investigations and development of this technology could open up applications in one-way navigation for deep space exploration.

doi: 10.1038/s41586-021-03571-7

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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